Способ определения оптических анизотропных параметров кристаллов

 

Применение: кристаллография. Сущность изобретенияспособ определения анизотропных параметров кристаллов и их дисперсии, включающий измерения интенсивности света, проходящего через поляризатор , кристалл и анализатор в зависимости от угла вращения кристалла. Обработку по этому способу ведут по коэффициентам Фурье. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (SIIS G 01 и 21/21 7I IО

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ . ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНЙЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4838307/25 (22) 21.06.90 (46) 23.07.92. Бюл, В 27 (71) Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова (72) А.Ф. Константинова, А.Н. Степанов, И,Т. Улуханов и Б,Н. Гречушников (56) Окорочков А.И., Константинова А.Ф.

Влияние неортогональности собственных волн в кристалле на поляризацию прошед ï света. — Кристаллография, 1985, т. 30, вып, 1, с. 105-113.

J. Appl. Phys.. 1978, V. 49. N 2, р, 809816.

Изобретение относится к кристаллооптике, а именно к измерению оптических параметров материалов, и может быть использовано в кристаллофизике, материаловедении, в приборостроении.

В кристаллах важными параметрами, характеризующими оптическую аниэотропию, являются двупреломление. дихроизм и эллиптичность собственных волн, связан ная с оптической активностью. Для определения каждого из перечисленных параметров разработан ряд методов, в которых оптические параметры определяются из различных экспериментов на разных приборах и разных образцах, что неудобно, а иногда и, в принципе, невозможно, Известен метод определения аниэотропных оптических параметров кристаллов иэ измерения азимуте прошедшего света в зависимости от азимута падающего света с помощью спектрофотометра.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является метод опре5U „„1749784 А1 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ АНИЗОТРОПНЫХ ПАРАМЕТРОВ

КРИСТАЛЛОВ (57) Применение: кристаллография. Сущность изобретения; способ определения анизотропных параметров кристаллов и их дисперсии, включающий измерения интенсивности света, проходящего через поляризатор, кристалл и анализатор в зависимости от угла вращения кристалла. Обработку по этому способу ведут по коэффициентам Фурье. 4 ил. деления двупреломления и эллиптичности собственных волн в прозрачных кристаллах по измерению интенсивности света на выходе поляриэационной системы с кристаллом, снабженной счетчиком фотонов.

Значение разности хода для различных длин волн находится через отношение интенсивностей при скрещенных и параллель- фь ных поляризаторах и при небольших углах О разворота главной оси пластинки относительно поляризатора. 00

Однако в известном методе не опреде- р ляется и не учитывается дихроизм исследуемой пластинки, а значения разности фаз и эллиптичности определяются из графиков зависимости 1()), что ограничивает точность определения искомых оптических параметров. !

Задача предлагаемого способа определения оптических анизотропных параметров кристалла состоит в одновременном определении двупреломления. дихроизма и оптической активности с помощью специ1749784

Ь =b1 +Ьг;

С =С1 +с2 . г

+ bzsIn2 а+ c1cos4 а+ сгз!п4 а), (1)

35 где а, в1, вг, с1 и сг — коэффициенты Фурье; (2) а — с, 4k(1+ ) sin Дз!п2 у; ьг= 2(1 — k ) зп д stn2 р

50 эльного устройства с программным управлением к спектрофотометру.

Целью изобретения является повышение точности и скорости определения энизотропных оптических параметров. указанная цель достигается тем, что проводятся измерения функциональных зависпмостей интенсивности прошедшего света = т(а ) при изменении переменной а от О до 360 с помощью спектрофотометра, При проведении измерений кристаллическую пластинку устанавливают нормально к падающему линейно поляризованному свету между скрещенными первым и вторым поляризаторами. После этого поворачивают пластинку с выбранным шагом вокруг оси прибора на угол а, изменяя а от

О до 360, и каждый раз измеряют интенсивность прошедшего света, Затем проводят аналогичные измерения, поворачивая пластинку, расположенную между параллельными поляризаторами.

В общем виде зависимость ) = f(a) получают при решении задачи о прохождении света через пластинку из двупреломляющего поглощающего оптически активного кристалла. Для интенсивности зависимость I

= f(a) записывают в виде:

1= I,! (a+ b1cos2 а+

4(1 +) г}2 а = f(1 + kz) + 4k ) cos Дсоз2 у+

+ (1 — kz)2 соз2 у; + 2(1 + kz) ch д +

b1 = 2(1 — k ) sh д (1 + cos2 у);

c1=(1 — k ) (chд — соз Ь)cos 2у; с2 = (1 — k ) (ch д — cos hjsIn2 у;

И1,2 = п1,2+ I к12, О =(2лс)/Л }(кг+к1}; (т 1-) Л } (к2, к1 }

Д = (2 п C)/Л }(пг — n1);

N1,2 — комплексные показатели преломления кристалла; д и, = (пг — и 1) — эллиптическое двупреломление; дквп = (кг — к1 } — эллиптический дихроизм;

d — толщина образца;

Л вЂ” длина волны;

k — эллиптичность собственных волн в кристалле, которая определяется оптической активностью; у — угол между направлениями колебаний в поляризаторе и анализаторе:

a — угол между главным направлением поляризатора и кристалла.

Это выражение для интенсивности

15 справедливо для всех одноосных кристаллов и для некоторых направлений двуосных кристаллов. Если кристалл неактивный (k = О), то оно справедливо для любых кристаллов. Для того, чтобы не учитывать пер20 воначальное положение кристалла относительно поляризатора, вводят величи., ны

При скрещенных поляризаторах (у=

90О) из (1), определив коэффициенты

30 Фурье а и с, из отношения с /а вычисляют k:

Зная k, определяют cos ® и I, измеряя гд а., b и с при повороте пластинки на угол а; расположенной между параллельными поляризаторами (y= О): (a«-Sc„)(<+ k4)-Qu2{a«+C«) сЖЬо(а„+с„)(4+Е4)-Я Кг(а„-ЗС«) а«(1-кг)гЬ„(1-k 4)+c«P(I+k ) +4k) (3) а -k ) -) (М4}+c„j(<+k ) 4)Р1

Если кристалл неактивный (k = О), то выражения для cos Ьо и I можно также

2д получить из (1) при произвольном угле у между поляризаторами; а-с(2+совЯ ) соьЬ,2 г 2

ГОФ CCo5RF)2- ЬДСО621 а + Ь С05 Сов 2 (4)

Q-bcoSg 4-со5г.(Общая разность фаз b, = + Ь, + 2 л п1, причем m и знак у Ьо можно определить, если проводить измерения на тонких пластинках или на двух пластинках различной толщины. Определив Д и д, вычисляют дву1749784 ь 10з, д, 10, Ьк-10 . ЭВМ выполняет многократные сканирования спектра при разных значениях угла а с сохранением данных в ОЗУ, затем в ходе эксперимента проводят Фурье-анализ, вычисляют параметры k, Л и д, а затем искомые параметры оптической анизотропии кристаллов Л пз, Лкэ и G, Результаты выдают на принтер в текстовом или графическом виде. Все управление экспериментом, обработку результатов и их выдачу в текстовом и графическом виде в процессе измерения производят в автоматическом режиме с использованием специальной программы для управляющей микроЭВМ.

Пример. Исследуют кристаллы предлагаемым способом на установке КСВУ.

Проводят измерения оптически активного поглощающего кристалла кварца. окрашенного примесью железа в коричневый цвет.

На фиг. 2 приведены характерные функциональные зависимости интенсивности прошедшего света.! от угла поворота пластинки для образца толщиной 2,48 мм для А=

= 0,55 мкм при двух положениях поляризаторов. Получают следующие коэффициенты

Фурье: при скрещенных пОляризаторах а4=

= 0,777, с4 = 0,422; при параллельных полярйэаторах а„= 0,690, Ь„= 0,27, с,, = 0,241.

Из этих данных по формулам (2), (3) и (8) вычисляют оптические параметры: k = 0,296;

Л= -98,68О + 360; д = 0,256; p = 6,963О, Затем определяют параметры оптической аниэотропии исследуемого кристалла; -" пэ=1,61,10; 6/с =9,03 10; 6= 1,35810

Аналогичнь1е значения для кварца получены в интервале длин волн от 0.4 до 0,75 мкм.

Дисперсия анизотропных параметров приведена на фиг. 3.

Исследуют кристаллы фианитов 2гОг-

Yz0g с примесью %0з, которые по симметрии являются кубическими, оптически неактивными и не должны обладать анизотропными оптическими свойствами. Исследуют оптическое совершенство данных кристаллов и изменение их оптических свойств при легирований различными элементами. При исследовании в скрещеннйх поляризаторах образцы светлые и окрашенные, следовательно они являются двупреломля ющими. Поскольку кристаллы двупреломляющие, можно оценить величину двупреломления в них, а также величину дихроизма; возможно возникающего в кристаллах с примесями.

Предлагаемым способом проводят исследования этих кристаллов. Зависимости оптических параметров фианитов от длины волны приведены на фиг. 4. Введение примеси 1/ЧОз увеличивает значение двупреломления, но значения Ь и чистого кристалла и образца ЧЧОз = 0,5% достаточно близки, в то

5 время как величина двупреломления Л п

-3,5.10 для образца И/Оз = 0.1 мас.% почти втри раза больше,,чем ЮОз = 0,5 мас.% и чистого, Увеличение концентрации М/Оз до

1 мас,% понижает величину двупреломления, что говорит об уменьшений вынужденной анизотропии, т. е. об улучшении степени кубичности. Кроме того исследован аномальный ход величины дихроизма во всех образцах: при концентрации М/Оз

0,1 мас.% оптические свойства обнаружива10

15 ют аномалию, что связано с изменением, структуры кристалла, когда образуется твердый раствор внедрения

Предлагаемый способ определения оптических анизотропных параметров кристаллов спектрофотометрическим методом

20 отличается от известного для прозрачных кристаллов тем, что способ позволяет одновременно путем определения Фурье-компо-

25 нент функции! = f(a) водном эксперименте с большой точностью определить поглощение, двупреломление, дихроиэм, эллиптичность собственных волн. связанную с оптической активностью, ориентацию опти30

35 ческой оси по измерению зависимости интенсивности I прошедшео света от поворота пластинки с определенным шагом.

Кроме того, предлагаемое устройство позволяет в автоматическом режиме с использованием специальной прораммы для управляющей микроЭВМ определять оптические параметры кристалла, Формула изобретения

Способ определения оптических ани40 зотропных параметров кристаллов, заклк1чающийся в измерении интенсивности излучения, прошедшего последовательно . через первый поляризатор,.кристалл и второй поляризатор при изменении длины

45 волны излучения, и определении по полученным зависимостям двупреломления, эллиптичности собственных волн.k, скалярного параметра гирации G и их дисперсии, отличающийся тем, что, с целью

50 повышения точности и скорости определения, а также расширения круга измеряемых параметров, дополнительно изменяют угол расположения кристалла относительно поляризатора в направлении распростране55 ния излучения, определяют величину эллиптичности собственных волн при скрещенных поляризаторах по формуле

, к.)- *Ю ) 7 7

О4- С4

1749784

4=(2_#_д/Л)(п2 — п1); юг. у определяют двупреломление Лп> и дихроизм hae при параллельных поляризаторах из соотношений (О „-Sc „)(< s. g4) Яа „+С „) со д, (а„+с„)(4+к4)-gР(о„-Зс„)

g а„(Нс ) s.b«(<-)с4)+С„ (1+)Р) +М ) а„(4- КЯ) -Ь„(4- к4}+с„) (1+) } + 4) Д где а, c — Фурье-коэффициенты, полученные из измерений при скрещенных поляризаторах; а„, Ь„. ся — Фурье-коэффициенты, полученные из измерений при параллельных поляризаторах: д =(2лд/Л) (к2 — к ); п4,z — показатель преломления кристалла вдоль и поперек оптической оси;

Ь ne = nz — n1 — двупреломление; с12 — коэффициент поглощения кристалла в направлении вдоль и поперек оптической оси;

Лк =к2 — к1 — дихроиэм;

d — толщина кристалла;

il — длина волны излучения, определяют скалярный параметр гирации по соотношению

G =h,nn

1+К2

1 где и - (no + ne)/2 — средний показатель

15 преломления кристалла; по, ne — показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле, а угол ориентации оптической оси р опреде20 ляют из соотношения

2 1-к2 (-К2

Реьиэ1 nosgn>1

:5>n Q (Ae Aoj(hqs6Yl3 д (Диф+Диз

)4 14

1749784

1,)

0,3

О, 6

1749784

08

КМ км

07 д4 Ох

Фиг, Q

О,й

Об

Составитель А. Константинова

Техред М,Моргентал Корректор O.Кравцова

Редактор И.Дербак

Заказ 2591 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101