МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра ПР-5

"ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ"

Дисциплина:

"Основы оптики".

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

"Прохождение света через анизотропные среды"

Москва 2006.

ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ - изучение явлений искусственной анизотропии в прозрачных телах и поляризационных свойств света, лежащих в основе работы поляризационных приборов.

Теоретическая часть.

Оптически изотропное тело при деформации сжатия или растяжения приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого коллинеарна с направлением деформирующих сил. Экспериментально установлена следующая связь между показателями преломления необыкновенной n_e и обыкновенной n_o волн в направлении, перпендикулярном оптической оси:

n_e-n_o=b (1)

где =F/S - напряжение, вызвавшее деформацию (F - сила, S - площадь); b - постоянная, характеризующая свойства вещества. Разность (n_e-n_o) может принимать как положительные, так и отрицательные значения и, кроме того, зависит от длины волны света. Разность фаз _ео между необыкновенным и обыкновенным лучами будет зависеть от ориентации оптической оси и выражается следующей формулой:

_ео=kd(n_e-n_o) (2)

где k=2/ - волновое число; d - толщина материала.

Таким образом, если такой искусственно созданный кристалл осветить параллельным пучком линейно поляризованного света, то из каждой его точки выйдет в общем случае эллиптически поляризованные лучи с различной ориентацией эллипса. Это связано с тем, что угол , определяющий ориентацию эллипса ( - угол наклона большой оси эллипса к входной плоскости поляризации. См. лаб. раб. №1) зависит от разности фаз _ео:

tg2=tg2cos_ео (3)

где tg=E_eE_o и Е_е, Е_о - соответственно амплитуды е- и о- лучей.

Различная ориентация эллипсов обусловлена тем что напряжения в образце распределены неравномерно, и, следовательно, в каждой точке образца имеют свое значение. Таким образом (n_e-n_o) в различных точках образца в общем случае различны . Только в тех точках , где механические напряжения одинаковы, одинакова и (n_e-n_o). Следовательно, как это следует из формулы (2), одинакова и разность фаз _ео (если свет монохроматический ). Из выражения (3) следует, что из этих точек образца выйдут эллиптические поляризованные лучи с одинаковой ориентацией эллипса.

Если на такой образец смотреть через анализатор, то поле зрения окажется неравномерно освещенным. Геометрическое место точек одинаковой освещенности будет соответствовать геометрическому месту точек одинаковых напряжений. Таким образом, картина, видимая через анализатор, представляет собой визуально наблюдаемое распределение внутренних напряжений в прозрачном образце. Если образец освещается белым светом, то видимая через анализатор картина будет окрашена.

Этот способ позволяет определять остаточные напряжения в оптических деталях после их термической обработки, выяснять распределение напряжений в моделях различных деталей и конструкций.

Описание установки.

В лабораторной работе используется полярископ - поляриметр ПКС-125, который предназначен для определения разности хода _ое о- и е- лучей, вызванной двойным лучепреломлением в прозрачных образцах:

_ое=d(n_e-n_o)

Эта разность хода характеризует внутренние напряжения в образце и может быть измерена двумя способами:

1. Приблизительной оценкой по окраске наблюдаемой картины.

2. Количественной оценкой _ое при помощи компенсатора Сенармона.

В первом случае прибор работает как полярископ, во втором - как поляриметр.

Оптическая схема прибора ПКС-125 имеет вид:

1 - тепловой фильтр; 2 - матовое стекло; 3 - поляризатор; 4 - исследуемый образец с напряжениями ; 5 - пластинка  (или ); 6 - анализатор ; 7 - зеленый светофильтр; 8 - источник света ; S - источник света: F - сила, вызвавшая деформацию.

Узел осветителя состоит из источника света (лампы накаливания), теплофильтра, матового стекла и поляризатора. Теплофильтр применяется для поглощения инфракрасного излучения в спектре источника света. Матовое стекло рассеивает свет источника излучения с тем, чтобы создать равномерную освещенность поляризатора.

Предметный столик предназначен для установки на нем измеряемых образцов. Он выполнен в виде отдельного съемного узла и имеет возможность продольного и вертикального перемещений.

На предметный столик можно устанавливать прозрачный образец стекла с внутренними напряжениями, либо образец, закрепленный в силовом устройстве того или иного вида. В зависимости от вида силового устройства образец может подвергаться усилиям на сжатие, растяжение или изгиб.

Под влиянием внешних механических воздействий образец приобретает свойства двулучепреломляющего кристалла.

При неоднородности поля напряжений по сечению образца, в разных точках сечения компоненты луча будут приобретать различную разность хода. Кроме того, разность хода в каждой точке сечения зависит от длины волны . В силу всего этого после анализатора на выходе прибора наблюдается окрашенная картина.

Узел измерительной головки с анализатором состоит из отсчетной головки, вмонтированной в корпус на котором расположена ручка механизма переключений фазовых пластинок   и . Внутри отсчетной головки расположены анализатор и зеленый светофильтр, выделяющий область спектра около 0.54 мкм. Поле зрения просматривается через окуляр, выступающий на узле измерительной головки.

Светофильтр можно вводить и выводить из поля зрения поворотом наглазника окуляра, придерживая корпус окуляра за накатку. Отсчетная головка снабжена лимбом с ценой деления 1. Поворот анализатора производится поворотом отсчетной головки за накатку окуляра. Отсчет угла

поворота анализатора снимается по шкале лимба с помощью нониуса с ценой деления 0.1.