KOMPENSATORY

KOMPENSATORY - są to przyrządy pozwalające wytwarzać i mierzyć dowolne różnice faz pomiędzy drganiami o kierunkach do siebie prostopadłych, tworzącymi wypadkowe drganie eliptyczne.

Rys. 1 Schematy kompensatorów: a) Babineta, b) Soleila

Na rysunku (punkt a) przedstawiony jest kompensator Babineta. Składa się on z dwóch jednakowych nałożonych jeden na drugi pryzmatów kwarcowych Pr₁ i Pr₂ o nie wielkich kątach łamiących. W jednym z pryzmatów, Pr₂ oś optyczna kwarcu (kwarc jest optycznie jednoosiowy) jest równoległa do krawędzi łamiącej, w pryzmacie Pr₁ oś optyczna jest równoległa do jednej ze ścianek, a prostopadła do krawędzi.

Jeśli na powierzchnię kompensatora rzucimy prostopadle wiązkę światła S, przecięcie główne dla pryzmatu Pr₁ pokryje się z płaszczyzną rysunku, a dla pryzmatu Pr₂ będzie do niej prostopadłe. Wobec tego promień, który jest w pryzmacie Pr₁ zwyczajnym, czyli spolaryzowanym w płaszczyźnie przecięcia głównego, stanie się w pryzmacie Pr₂ nadzwyczajnym, czyli spolaryzowanym prostopadle do przecięcia głównego. Odwrotnie, promień nadzwyczajny w pryzmacie Pr₁ stanie się zwyczajnym w pryzmacie Pr₂. Szybkość promienia zwyczajnego u₀ w kwarcu jest większa od szybkości promienia nadzwyczajnego u_e; wobec tego

Rys. 2 a) Schemat działania kompensatora, b) obraz widziany w lupie (N_A - analizator, S - soczewka, K - kompensator, M - śruba mikrometryczna, L - źródło światła, N_p - polaryzator)

promień zwyczajny w pryzmacie Pr₁ wyprzedzi nieco promień nadzwyczajny, po przejściu natomiast do pryzmatu Pr₂, ze względu na zmianę ról, ten sam promień ulegnie teraz opóźnieniu. Wyprzedzenie i

opóźnienie są proporcjonalne do przebytych grubości kwarcu h₁ i h₂. Wynik zależy od różnicy grubości h₁ -h₂ pryzmatów w miejscu, gdzie pada brany pod uwagę promień. Różnica dróg optycznych Δ jest równa:

,

a odpowiadająca jej różnica fazy Δφ

.

Innym rozwiązaniem jest kompensator Soleila (rys. 1 b) składa się on z płytki P wyciętej z kwarcu o osi optycznej prostopadłej do kierunku padania promieni S. Do tej płytki przylepiony jest pryzmat Pr₁, którego oś optyczna jest prostopadła do osi płytki P. Ruchomy pryzmat Pr₂ jest wycięty analogicznie jak Pr₁. Warunek jednakowej różnicy dróg jest spełniony dla wiązki o dużej rozwartości.

Schemat kompensatora przedstawia rys. 2 a). Pole widzenia ograniczone jest dwoma okrągłymi otworami. Śruba mikrometryczna M służy do przesuwania pryzmatu ruchomego.

Rzućmy na kompensator K (Babineta lub Soleila) wiązkę równoległą jednobarwnego światła spolaryzowanego liniowo w płaszczyźnie, który tworzy kąt π/4 z kierunkiem krawędzi łamiącej pryzmatu. Jeśli po przejściu wiązki przez kompensator przepuścimy ją przez analizator N_A skrzyżowany z polaryzatorem N_p, to patrząc przez lunetkę S i analizator dostrzeżemy w polu widzenia szereg ciemnych prążków równoległych do krawędzi łamiących pryzmatów kompensatora. Prążki te powstają w takich punktach, w których skuteczna grubość kompensatora h₁ - h₂ (różnica grubości pryzmatów) powoduje powstanie pomiędzy dwoma wytworzonymi w kwarcu promieniami, różnicy dróg optycznych Δ równej Δ = n ⋅ λ, gdzie n = 0, 1, 2... Wiązkę światła wychodzącą z kompensatora obserwujemy zwykle przez lunetkę zaopatrzoną w płytkę z kwarcu. Ustawiamy naprzód pryzmaty kompensatora tak, aby na przecięciu nitek krzyża znajdował się prążek zerowy, tzn. taki, dla którego różnica dróg jest równa 0. Dla prążka zerowego, skuteczna grubość płytki jest zatem równa zeru. Wynika stąd, że różnica dróg optycznych jest w tym punkcie równa zeru dla światła dowolnej długości fali.

Za pomocą śruby M zaopatrzonej w podziałkę mikrometryczną doprowadzamy ten prążek do zetknięcia się z przecięciem się nici pajęczych. Następnie oświetlamy kompensator światłem jednobarwnym, np. żółtym światłem płomienia lub lampy sodowej. Wszystkie prążki stają się wtedy czarne. W celu wycechowania kompensatora wyznaczamy na mikrometrze obrót śruby potrzebny do przesunięcia układu prążków w polu widzenia o jeden prążek. Odpowiada to różnicy faz 2π, a stąd obliczamy przesunięcie fazowe dla danej długości fali odpowiadające skręceniu śruby o jedną podziałkę.

Rys. 3 Analiza drgania spolaryzowanego eliptycznie, za pomocą

kompensatora.

Kompensator wyznacza zawsze kierunki drgań: jeden równoległy do krawędzi łamiącej i drugi prostopadły do tej krawędzi. Pozwala on określić różnicę faz tych drgań, jeśli stanowią one składowe jednego drgania eliptycznego. By wyznaczyć tę różnicę faz, ustawiamy kompensator tak, aby dla światła spolaryzowanego pod kątem π/4 w stosunku do krawędzi łamiących pryzmatów prążek zerowy leżał na skrzyżowaniu nici. Jeśli zamiast tego światła spolaryzowanego liniowo rzucimy na kompensator światło spolaryzowane eliptycznie, cały układ prążków zostanie zsunięty w bok. Do różnicy faz wywołanej przez kompensator dodaje się własna różnica faz światła spolaryzowanego eliptycznie. Obracając śrubą mikrometryczną sprowadzamy prążek zerowy z powrotem na skrzyżowanie nici pajęczych. Z obrotu śruby obliczamy różnicę faz między składowymi drgania eliptycznego, mającymi kierunki drgań wyznaczone przez kompensator. Kierunek drgań światła spolaryzowanego liniowo zależy od wielkości amplitud drgań składowych. Analizator skrzyżowany z polaryzatorem, dającym pierwotnie światło liniowo spolaryzowane, dla wycechowania kompensatora nie będzie już gasić liniowo spolaryzowanego światła, wytworzonego przez kompensator z badanego światła spolaryzowanego eliptycznie. Wobec tego prążki nie będą już zupełnie czarne. Wygaszenie otrzymamy dopiero w takim położeniu, w którym jego płaszczyzna polaryzacji jest prostopadła do kierunku drgań wypadkowych. Mierząc kąt Ψ, który tworzy płaszczyzna NN polaryzacji nikola w położeniu wygaszającym z kierunkiem krawędzi kompensatora, możemy określić stosunek amplitud drgań składowych. Mamy mianowicie: tg Ψ = A_y/A_x. Kompensator pozwala nam określić nie tylko różnicę faz drgań składowych, lecz także stosunek ich amplitud, co wyznacza kształt i położenie elipsy drgań.

DWÓJŁOMNOŚĆ WYMUSZONA

Dwójłomność wymuszona występować może w ciałach izotropowych poddanych działaniu sił zewnętrznych bądź też umieszczonych w polu elektrycznym lub magnetycznym. Dwójłomność występująca w tych warunkach jest słaba, a nawet bardzo słaba.

Dwójłomność wymuszoną szkła można pokazać za pomocą przyrządu używanego do demonstracji figur interferencyjnych kryształów. Jeśli w przyrządzie tym pomiędzy skrzyżowane nikole wstawimy zamiast płytki krystalicznej zwykłą płytkę szklaną, otrzymamy ciemność. Jeżeli jednak płytkę tę ściśniemy przykręcając śrubę w urządzeniu jak na rys. 1, pole widzenia rozjaśni się i pojawi się zabarwienie.

Rys. 1. Prasa do ściskania szkła

Przy silniejszym ściśnięciu występują figury interferencyjne kryształu jednoosiowego. Szkło poddane ciśnieniu stało się dwójłomne - przy czym dwójłomność znika, jeśli przestaniemy ściskać szkło. Dwójłomność ta związana jest z odkształceniem sprężystym szkła. Jeśli kostkę poddamy ściskaniu wzdłuż pewnej osi nabierze ona charakteru optycznego kryształu jednoosiowego.

Doświadczenia wykazują, że różnica współczynników załamania promieni nadzwyczajnego i zwyczajnego Δn = n_e - n_o jest proporcjonalna do ciśnienia wywieranego na ciało i zależy od długości fali. Mamy więc:

n_e - n_o = δ⋅λ⋅p, gdzie: p - ciśnienie, λ - długość fali używanego światła,

δ - współczynnik charakterystyczny dla danego ciała.

Odkształcenie ciał izotropowych można wywołać również za pomocą różnicy temperatur. Jeśli np. ogrzejemy nierównomiernie płytkę szklaną, rozszerza się ona niejednakowo w różnych kierunkach: wskutek tego powstają w niej napięcia i dwójłomność wymuszona. Do demonstracji można użyć pręta metalowego z oprawioną w nim płytką szklaną rys.2.

Jeżeli pręt ogrzejemy, płytka ogrzeje się tylko na brzegach i wskutek tego stanie się dwójłomna, co można wykazać wstawiając płytkę między dwa skrzyżowane nikole. Pierwotnie ciemne pole widzenia ulega rozjaśnieniu.

W szklanym pręcie S wprowadzonym w drgania podłużne można zaobserwować wymuszone załamanie podwójne. Sztywno umocowany pręt z końcami wolno drgającymi umieszczamy między dwoma skrzyżowanymi nikolami A i P tak ustawionymi, że ich płaszczyzny polaryzacji tworzą kąty po π/4 z kierunkiem drgań pręta. Jeśli pręt wprawimy (np. przez pocieranie) w drgania podłużne, powstają w nim fale stojące. Wiązka światła białego przechodząca przez pręt wykazuje wyraźne zabarwienie.

Bardzo często występuje wymuszona dwójłomność w szkle handlowym. Dwójłomność ta wywołana jest nierównomiernym stygnięciem szkła. Po obniżeniu temperatury warstwy powierzchniowe stygną szybciej i wskutek tego nie pozwalają dostatecznie skurczyć się warstwom wewnętrznym. Powstające w ten sposób naprężenie powoduje wystąpienie dwójłomności: kawałek takiego szkła umieszczony między dwoma skrzyżowanymi nikolami daje rozjaśnienie.

Wymuszona dwójłomność szkła znajduje w technice zastosowanie do badania naprężeń we wnętrzu materiałów. Metoda tych badań polega na wykonywaniu modeli badanych części czy urządzeń ze szkła lub pleksiglasu i ustaleniu rozkładu naprężeń w tym materiale na podstawie pomiaru krzywych interferencyjnych powstających przy umieszczeniu modeli między skrzyżowanymi nikolami lub polaroidami. Z rozkładu naprężeń w modelu możemy następnie obliczyć naprężenie w badanej części danego urządzenia.

Ψ

A_y

A_x

N

N

Rys. 2. Urządzenie do deformacji szkła przez ogrzanie

Rys. 3. Dwójłomność wymuszona drgającego pręta szklanego (P - polaryzator, A - analizator, S - pręt szklany)

---