Устройство полярископа-поляриметра ПКС-250

Полярископ-поляриметр ПКС-250 предназначен для качественного и количественного анализа двулучепреломления в плоских прозрачных образцах из бесцветного или слабоокрашенного стекла.

Внешний вид прибора показан на рис. 1.

 

Рис. 1. Общий вид полярископа-поляриметра ПКС-250: 1 – тумблер, включающий осветительную лампу; 2 – педаль, включающая осветительную лампу; 3 – переключатель «Измерение» – «Наблюдение»; 4 – подъемный механизм; 5 – измерительная головка; 6 – переключатель измерительной головки; 7 – матовое стекло; 8 – анализатор; 9 – шкала; 10 – ручка, с помощью которой вращаются матовое стекло и шкала/

 

Оптическая схема прибора изображена на рис. 2. Белый свет от источника 1 проходит через конденсорную систему 2, 3, отражается от зеркала 4, проходит через поляризатор 5, кристаллическую пластинку постоянной толщины 6, матовое стекло 7 с расположенным на нем двупреломляющим образцом и анализатор 8 (на рис. 1 матовое стекло и анализатор также отмечены цифрами 7 и 8 соответственно). Анализатор 8 скрещен с поляризатором. Кристаллическая пластинка вырезана параллельно её оптической оси и установлена таким образом, что ее оптическая ось ОО₁ составляет с плоскостью пропускания поляризатора РР₁ угол 45º (рис. 3). Разность хода , которую приобретают обыкновенный и необыкновенный лучи, пройдя пластинку, составляет 572 нм. Таким образом, для света с длиной волны =572 нм (зеленая область) пластинка является волновой. В дальнейшем будем ее называть волновой пластинкой. 

 

 

 

Рис. 2. Оптическая схема полярископа ПКС-250: 1 – источник света; 2, 3 – конденсорная система; 4 – зеркало; 5 – поляризатор; 6 – волновая пластинка; 7 – матовое стекло; 8 – анализатор.

 

 

 

Рис. 3. Взаимная ориентация плоскости пропускания поляризатора и оптических осей кристаллических пластинок: РР₁ – линия пересечения плоскости пропускания поляризатора и плоскости чертежа; ОО₁ – оптическая ось волновых пластинок; О'О₁' – оптическая ось четвертьволновой пластинки; 11 – линия, соединяющая риски 90° и 270° на шкале когда отчет равен нулю

 

При отсутствии исследуемого образца свет с любой длиной волны кроме 572 нм проходит через анализатор. Это приводит к пурпурно-фиолетовой окраске поля зрения. Образец вносит дополнительную разность хода, поэтому его окраска, вообще говоря, отличается от пурпурно-фиолетовой. Так как внутренние напряжения могут меняться от точки к точке, то даже при постоянной толщине образца отличаются друг от друга разности хода, вносимые различными участками, а, следовательно, и их цвета. По цвету того или иного участка можно определить величину разности хода, вносимую этим участком (см. табл. 1).     

Для того чтобы пользоваться таблицей, необходимо заранее знать, что оптические оси во всех точках образца параллельны его поверхности, а вносимая разность хода не превышает 325 нм. В работе используется именно такой образец.   

Пурпурно-фиолетовая окраска может наблюдаться не только при разности хода, равной нулю, т.е. у изотропного участка образца, но и в том случае, когда оптическая ось участка параллельна плоскости пропускания поляризатора или перпендикулярна к ней.

 

Таблица 1. Величины разности хода в зависимости от окраски участка

 

Цвета	Разность хода , нм
Желтый	325
Желто-зеленый	275
Зеленый	200
Голубовато-зеленый	145
Голубой	115
Пурпурно-фиолетовый	0
Красный	25
Оранжевый	130
Светло-желтый	200
Желтый	260
Белый	310

Волновая пластинка и анализатор могут быть выведены из светового пучка. Для более точного определения разности хода используется измерительная головка 5 (рис. 1). Ее оптическая схема изображена на рис. 4.

Рис. 4. Оптическая схема измерительной головки: 1 – окуляр; 2 – зеленый светофильтр; 3 – анализатор; 4 – четвертьволновая для длины волны λ=540 нм пластинка; 5 – волновая для той же длины волны пластинка

 

Четвертьволновую пластинку 4 можно заменить на пластинку 5, которая является волновой для той же длины волны. Направление распространения света показано стрелкой. Пластинки 4 и 5 вырезаны параллельно оптическим осям. Оптическая ось ОО₁ четвертьволновой пластинки перпендикулярна плоскости пропускания поляризатора (рис. 3). Оптическая ось волновой пластинки ОО₁ составляет угол 45º с плоскостью пропускания поляризатора.

Пусть образец установлен так, что его оптическая ось составляет углы 45º с плоскостью пропускания поляризатора и оптической осью четвертьволновой пластинки. Тогда эллиптически поляризованный свет с длиной волны 540 нм, выходящий из образца, преобразуется пластинкой в плоскополяризованный и может быть погашен поворотом анализатора. Если убрать образец, то для того, чтобы получить темноту, следует повернуть анализатор на некоторый угол  так, чтобы он оказался скрещенным с поляризатором. Удвоенный угол поворота равен разности фаз между обыкновенной и необыкновенной волнами, которая вносится образцом. Тогда разность хода, вносимую образцом, можно рассчитать по формуле:

, нм (1)

В (1)  выражен в радианах. Если  измеряется в градусах, то:

, нм (2)

Волновая пластинка измерительной головки может использоваться для измерений так же, как и волновая пластинка 5 (рис.2).

Порядок выполнения работы

1. Включите прибор в сеть. Осветительная лампа включается тумблером 1 (рис. 1) или педалью 2 (рис. 1). Для увеличения срока службы прибора рекомендуется включать лампу только на время проведения измерений путем нажатия на педаль.

2. Поставьте переключатель 3 (рис. 1) в положение «Измерение», этим выводится из светового пучка волновая пластинка 6 (рис. 2). Выведите из поля зрения как измерительную головку 5, так и анализатор 8. Поместите на матовое стекло 7 образец. Включите лампу, нажав на педаль. Убедитесь, что образец равномерно освещен – интерференции нет. Посмотрите на образец через анализатор 8. Образец приобретает окраску – наблюдаются черные, серые, белые и желтые участки. Оптические оси черных участков параллельны или перпендикулярны плоскости пропускания поляризатора. В этом можно убедиться, поворачивая с помощью ручки 10 матовое стекло с образцом, – черные участки перемещаются по образцу. Черный участок опять становится черным при повороте на 90º.

3. Серые участки вносят разность хода не больше 240 нм, белые – от 240 до 280 нм, желтые – от 280 до 310 нм. Зарисуйте образец в любом его положении. Отметьте участки различной окраски.

4. Переведите переключатель 3 в положение «Наблюдение», этим в световой пучок вводится волновая пластинка 6 (рис. 2). Включите лампу педалью. Убедитесь, что в поле зрения видно бледное пурпурно-фиолетовое пятно. Зарисуйте образец. Отметьте участки различной окраски. По таблице определите разности хода, вносимые различными участками. Зная толщину пластинки ( =15 мм), по формуле

 (3)

определите абсолютную величину разности показателей преломления . При вычислении разности показателей преломления величины оптической разности хода  и толщины пластинки  необходимо брать в одних и тех же единицах измерения.

5.  Переведите переключатель 3 (рис.1) в положение «Измерение». Выведите поляризатор 8 из поля зрения и введите измерительную головку 5. Поставьте ручку 6 измерительной головки в положение , этим в пучок света вводится четвертьволновая пластинка. Введите зеленый светофильтр. Вращая матовое стекло, установите риску на нем против нулевого деления шкалы 9. Рассматривайте образец через окуляр. Зарисуйте его, отметьте какое-нибудь одно из его темных мест.

Снимите отчет по шкалам лимба и нониуса измерительной головки: определите, на сколько делений повернута шкала лимба относительно нониуса, умножьте это число на цену деления шкалы лимба (1º), найдите деление шкалы нониуса, совпадающее с делением шкалы лимба, число делений между ним и нулем умножьте на цену деления нониуса (0,1º). Таким образом, найдется угол, определяющий положение анализатора измерительной головки. Поверните матовое стекло на 45º. Отмеченное темное место станет светлым. Поворачивайте измерительную головку до тех пор, пока оно опять не станет темным. Снимите отчет по шкалам лимба и нониуса. Найдите  – разность двух отчетов, по формуле (2) вычислите разность хода и, зная толщину образца, найдите абсолютную величину разности показателей преломления .    

Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление двойного лучепреломления?

2. Какие явления наблюдаются при прохождении плоскополяризованного света через кристаллическую пластинку?

3. Что будет наблюдаться, если из схемы наблюдения интерференции в параллельных лучах убрать: а) анализатор; б) поляризатор?

4. Что будет наблюдаться, если поместить волновую пластинку между скрещенными николями (свет монохроматический)? Как изменится картина при параллельных николях?

5. Те же вопросы для полуволновой пластинки.

6. Что будет наблюдаться, если поместить пластинку, вырезанную параллельно оптической оси, между скрещенными николями и осветить ее белым светом? Что изменится, если поставить николи параллельно?

7. Оптическая схема полярископа-поляриметра ПКС-250.

8. Опишите способы, которыми с помощью полярископа-поляриметра можно определить разность хода, вносимую образцом, и абсолютную величину разности показателей преломления .