Проведено огляд по конічної рефракції. Наведено результати експериментів по внутрішньої і зовнішньої конічної рефракції на монокристалле ромбічної сірки. Отримано в світлі лазера на екрані кільця внутрішньої конічної діаметром близько 1 метра. Вперше отримані два кільця зовнішньої конічної рефракції з унікальним станом поляризації. Розглянуто умови концентрації світлової енергії уздовж бірадіалі і вимірювання фокусує здатності плоскопараллельной двуосного кристалічної пластинки. Обговорено особливості подвійного променезаломлення в умовах конічної рефракції

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Міхаліченко Ю. П.


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва: 2007
    Журнал: Вісник Томського державного педагогічного університету

    Наукова стаття на тему 'Конічна рефракція: історичні експерименти і нові демонстрації'

    Текст наукової роботи на тему «Конічна рефракція: історичні експерименти і нові демонстрації»

    ?еми педагогіки співробітництва: психологічні, логічні, логіко-психологічні.

    Технологія ефективної мовної діяльності. Вплив якості мови на якість навчання (доступність, псіхосбереженіе). Анкета якості мови педагога. Способи роботи над якістю мовлення учнів і вихованців: особистий приклад, зразки, спеціальні заняття, об'єднання зусиль різних вчителів-предметників.

    Технологія діалогового навчання і виховання. Побудова уроку або заняття на діалогової основі. Відмінність уроку на діалогової основі від уроку на комунікативній основі. Грані діалогу. Види діалогів. Технологія ефективного спілкування: управління мовця власною поведінкою; управління мовця поведінкою Аудиторії; управління мовця змістом промови; управління слухати власною поведінкою.

    Технологія рефлексивного навчання і виховання. Поняття «рефлексія». Етапи рефлексії: робота з відчуттями, логічний аналіз, коригування розумового змісту. Можливі види і форми рефлексії. Умови застосування рефлексивного навчання і виховання на уроці або занятті: інформаційні та психологічні [6].

    При впровадженні в навчальний процес нових освітніх технологій, на наш погляд, буде доцільним застосування деяких ТОМ-технологій для управління якістю навчання. На рис. 2 показано, що на самому нижньому рівні (нульовий рівень) ні-

    якого втручання немає і в помині, передбачається, що все йде добре. На рівні один керую-

    Спостереження Аналіз Оцінка Корекція

    рівень 4

    Рівень 3 Г

    рівень 2

    рівень 1

    рівень 0

    Мал. 2. Рівні втручання

    щий реально не втручається в систему навчання, проводяться тільки спостереження. На рівні два керівництво вимірює і реєструє. На рівні три керівництво ще й оцінює, чи достатній чи ні рівень забезпечення якості навчання.

    Додається критерій, а на рівні чотири керівництво не тільки оцінює, але фактично втручається і вирішує коригувати якість навчання учнів фізиці [7].

    література

    1. Субетто А.І. Освіта: майбутнє Росії і людства // Стандарти і якість. 1994. № 5. С. 53-55.

    2. Субетто А. І. Якість безперервної освіти в Російській Федерації. СПб .; М., 2000..

    3. http://www.mon.gov.org.ua; http://www.ivlim.org.ua

    4. Айванхов О.-М. Посвященческая педагогіка. , 2002.

    5. Севрук А.І., Юніна Е.А. Моніторинг якості викладання в школі. М., 2003.

    5. Шишковський В.І., Купцов А.І. Нові підходи до проблеми моніторингу якості освіти в рамках концепції випереджаючого

    сталого розвитку // Шляхи модернізації регіональної системи підвищення кваліфікації працівників освіти: Матеріали межрегіон. наук.-практич. конф. 27-28 березня 2003 року. Томськ, 2003. С. 246-261.

    Надійшла до редакції 26. 12. 2006

    УДК 535.53.05

    Ю.П. Михайличенко

    Конічні РЕФРАКЦІЯ: ІСТОРИЧНІ ЕКСПЕРИМЕНТИ І НОВІ ДЕМОНСТРАЦІЇ

    Томський державний університет

    Вступ

    Конічна рефракція була передбачена Г амільто-ном в 1832 р і потім підтверджена спостереженнями Ллойда на кристалі арагонита [1-7]. 14 грудня 1832 р Ллойд виявляє конус зовнішньої конічної реф-

    ракции і трохи пізніше спостерігає внутрішню конічну рефракцію. Результати цих експериментів були повідомлені Ллойдом в Королівської ірландської академії 28 січня 1833 г. [3, 4]. Ллойд зауважив оригінальне розподіл поляризації в кільцях

    рефракції і при описі явища застосував термін «конічна поляризація». Схеми спостереження конічної рефракції наведені на рис. 1.

    Мал. 1. Внутрішня (а) і зовнішня (б) конічна рефракція по

    Гамільтон - Ллойду. В повітрі кут у зовнішній конічної рефракції збільшиться приблизно вдвічі в результаті заломлення променів на кордоні

    Йоганн Поггендорф в i В39 р виявив, що кільце внутрішньої конічної рефракції виявилося подвійним [В], і це роздвоєння було пояснено Фойгт лише в i905 р [9]. Виявляється, що кільцю внутрішньої конічної рефракції, передбаченого Г Аміль-тоном, відповідає саме темний проміжок, що розділяє світлі кільця. А світлі кільця по обидва боки від нього формуються в результаті дво-заломлення. Існування такого темного проміжку є доказом того, що на практиці неможливо здійснити строго паралельний пучок променів кінцевої інтенсивності.

    Труднощі спостереження конічної рефракції пов'язані з малими розмірами кристалів. Проте на початку XX століття фірмою E. Leybold's Nachfolger і фірмою M. Kohl пропонувалися прилади для «суб'єктивного спостереження внутрішньої і зовнішньої конічної рефракції по Ллойду» на кристалах арагонита. У фундаментальному керівництві по крісталлооптіке Вустера наводиться опис спостереження конічної рефракції на зразку арагонита за допомогою мікроскопа [i0]. Чандрасекхара Раман в i92i р обговорює візуальні спостереження фокусирующих властивостей арагонита [ii]. А в i94i р він, будучи вже Нобелівським лауреатом, проводить з співробітниками унікальні спостереження під мікроскопом конічної рефракції на кристалах нафталіну [i2, i3]. У замітці i942 р [i4] наведені оригінальні фотознімки зображень, які були отримані в результаті фокусування зображення плоскопараллельной платівкою нафталіну. Але завдання залишалася складною, і наступні спостереження конічної рефракції під мікроскопом на кристалах арагонита, проведені Мел-мором з Йоркшіркского музею, не вносили істотної ясності [i5, i6].

    З появою лазерів інтерес до конічної рефракції зріс, так як в кільцях конічної рефракції спостерігалося унікальне розподіл поляризації. Можна згадати статтю [i7], в якій описана спроба застосування конічної рефракції

    для управління лазерним пучком, і статтю [18], де обговорювалося питання про скануванні з використанням конічної рефракції, але автори змогли отримати лише одинарне кільце внутрішньої конічної рефракції на кристалі арагонита. У статтях А.Ж. Шелла і Н. Бломберг проводиться порівняння експериментальних даних і теоретичних розрахунків по радіальному розподілу інтенсивності в кільцях внутрішньої конічної рефракції для арагонита [19] і альфа-йодистой кислоти [20, 21]. У нашій статті в 1979 р приведені результати по великомасштабної демонстрація конічної рефракції на монокристалах сірки [22]. Потім демонстрація кільця зовнішньої конічної рефракції з лазером і спостереження кільця внутрішньої рефракції на штучних кристалах була запропонована в [23]. У статті [24] приведена оригінальна методика вимірювання параметрів внутрішньої конічної рефракції на кристалах КТР, вирізаних у вигляді сфери для збільшення кутів розбіжність. Теоретичний розгляд внутрішньої конічної рефракції проводилося в статтях [25, 26]. У статті Марка Дрегера [27] наведені оригінальні розрахунки трансформації пучків в умовах, близьких до формування темного кільця Поггендорф. У новій роботі Майкла Беррі з співробітниками [28] розглянута внутрішня конічна рефракція з позиції теорії дифракції та проведені експерименти на штучному кристалі.

    У фізичному кабінеті Томського госуніверсіте-ту вдалося в 1979 р здійснити великомасштабну демонстрацію внутрішньої конічної рефракції на монокристалах ромбічної сірки, і нижче наводяться результати продовження експериментів, які пророблені автором цієї статті.

    1. Внутрішня конічна рефракція

    Наші експерименти проводилися на монокристалах ромбічної сірки, хоча П. Друде при розгляді конічної рефракції на кристалах арагонита відзначав, що «сірка підходила б ще більше, ... однак її обробка представляє великі труднощі» [29]. Нами було запропоновано, незалежно від авторів роботи [19], метод фокусування вузького лазерного пучка на поверхні монокристала для отримання максимальної яскравості зображень. Друге корисне якість методу фокусування полягає в тому, що отримується на першій поверхні кристала мале фокальна пляма дозволяє вибрати добре відполірований ділянку і відмовитися від застосування діафрагми у вигляді булавочного проколу в фользі, як це робилося з часів Ллойда. Кільця внутрішньої рефракції, отримані нами, показані на рис. 2.

    Розміри відполірованою кристалічної пластинки дозволяли здійснити експеримент по поступовому перетворенню кілець внутрішньої конічної рефракції в два плями звичайного двупреломления при плавному збільшенні нахилу платівки.

    а

    - i3i -

    Мал. 2. Подвійне коло внутрішньої конічної рефракції в неполяризованому світлі лазера (X = 510,6 нм). Діаметр кілець на екрані близько 1 м. У екрану стоїть конкретна людина. Кристалічна пластинка злегка нахилена для демонстрації зміни форми кілець

    2. Зовнішня конічна рефракція

    У навчальній і довідковій літературі при описі умов спостереження зовнішньої конічної рефракції на монокристалах наводиться схема, коли на малому отворі екрана на першій поверхні лінзою фокусується сходиться пучок (див. Рис. 1, б). У місці виходу конуса зовнішньої конічної рефракції на іншій поверхні кристала розташовують другу діафрагму. У книзі М. Борна і Е. Вольфа [1] стверджується, що «В даному випадку ... спостерігаються два концентричних кільця світла, причому пояснення цього подібно поясненню, яке у разі внутрішньої конічної рефракції». Обговоримо ці твердження.

    Досліди Ллойда показали, що для реалізації зовнішньої конічної рефракції необхідно висвітлити кристал сходящимся пучком променів. Якщо до світловому пучку ОМ, який поширюється усередині кристала уздовж бірадіалі (рис. 3, а) і на виході розпадається на нескінченне число променів, що утворюють зовнішній конус, застосувати міркування Фойг-та, то напрошується висновок про роздвоєння кільця зовнішньої конічної рефракції. Але цей пучок променів, який поширюється усередині кристала у напрямку бірадіалі ОМ, не можна вважати природним світлом, так як він утворюється в результаті двупре-ломленія з конуса променів 1-2. Для формування повного кільця зовнішньої конічної рефракції слід висвітлити кристал, як мінімум, через кільцеву діафрагму, що ми і зробили в роботі [30]. А за таких умов на екрані спостерігаються два кільця зовнішньої конічної рефракції, причому вершина внутрішнього конуса розташовується на поверхні кристала (рис. 3, а).

    На другий поверхні самого кристала спостерігається чітке світле кільце діаметром близько 4 мм, а в центрі кільця яскрава пляма, яке є вершиною виходить внутрішнього конуса променів зовнішньої конічної рефракції. Якщо виділити діафрагмою тільки центральна пляма, то на екрані буде видно одинарне кільце, яке і спостерігалося раніше, починаючи з дослідів Ллойда. Ми намагалися перевірити припущення, що це кільце зовнішньої рефракції може мати більш складну структуру. Але при зменшенні діафрагми Б1 від 1 мм до нуля спостерігалося лише дифракційне розширення внутрішнього кільця до повного зникнення картини.

    При висвітленні кристала лінзою через кільцеву діафрагму вся світлова енергія зосереджена

    б

    Мал. 3. Схема отримання двох кілець зовнішньої конічної рефракції. Поляризація в діаметрально протилежних точках кілець взаємно перпендикулярна (а). Два кільця зовнішньої конічної поляризації, які отримані в світлі Ії-Ії-лазера з лінійною поляризацією. Літерами А і В відзначені темні ділянки на кільцях (б)

    в фокальному плямі O на поверхні кристала. Очевидно, що половина цієї енергії далі поширюється усередині кристала по світловому каналу вздовж бірадіалі і можна говорити про концентрацію енергії уздовж такого напрямку. Друга половина енергії витрачається на формування більшого кільця (промені 1-2 і 2-1). Оцінимо ступінь концентрації енергії уздовж бірадіалі, якщо кристал висвітлюється кільцевої діафрагмою радіусом B і шириною b. Площа діафрагми дорівнює 2nBb. При фокусуванні світла в точці F в кристалі вздовж бірадіалі світло буде поширюватися у вигляді вузького розходиться конуса променів, який на другий поверхні кристала в околиці точки М дасть світлову пляму. За умови, що діаметр цієї плями визначається шириною b кільцевої діафрагми, його площа можна визначити як n (b / 2) 2. Ставлення енергій визначиться величиною 4B / b. Так у нас при фотографуванні (рис. 3, б) це відношення дорівнювало 40. Тут є якийсь інтерес для додаткового розгляду явищ, які можуть бути викликані подібною концентрацією енергії, але в наших експериментах особливостей ми не помітили. Очевидно, що підвищення щільності енергії обмежується дифракційними ефектами. Те, що в напрямку бірадіалі відбувається концентрації енергії, зазначав Раман в [12].

    Отже, внутрішнє кільце зовнішньої конічної рефракції не має подвійної структури, як кільця внутрішньої рефракції. Твердження, що це кільце виходить, коли промінь, що йде всередині кристала по бірадіалі, потрапляє в точку М, на вістрі западини, де і розпадається на безліч променів, швидше за все, невдалий з часів публікації Г амільтона. У його роботі [2] наводиться таке визначення «... so that this one internal cusp-ray must correspond to an external cone of rays, according to a new theoretical law of light which may be called External Conical Refraction». Точка самопересеченія хвильової поверхні, звичайно, є особливою точкою, але не є вістрям або точкою перегину. Можливо, буде доречно таке порівняння. В математиці розглядається плоска крива «лист Декарта», яка задається рівнянням x3 + y3 - 3axy = 0. Ця крива нагадує букву у. Дві гілки кривої взаємно перетинаються в особливій точці на початку координат, і в цій точці крива має дві дотичні [31].

    3. Фокусують властивості двуосного кристалів

    Ллойд розглядав крізь кристал світло віддаленої лампи і помітив в напрямку осі поява яскравої точки, оточеній чимось нагадує промені зірок. Він спостерігав і сходяться промені в околиці оптичної осі. Про фокусирующих властивості було сказано в 1921 р в замітці Рамана [11]. Раман повертається до цього питання в 1941 р і публікує в журналі «Nature» замітку з фотографіями простей-

    ших об'єктів, що світяться, сфокусованих за допомогою пластинки з нафталіну [13]. А в статті [12] Раман згадує про роботи Стокса 1877 і Волкера 1904 р де зазначається, що зображення точкового джерела супроводжується астигматизмом.

    Спостереження показали, що в центрі кілець внутрішньої конічної рефракції завжди спостерігається світлову пляму (див. Рис. 1). На його формування впливають дифракційні ефекти, але в наших експериментах, які відрізняються великими розмірами картини, в більшій мірі проявляються своєрідні фокусують властивості хвильової поверхні двуосного кристала в околиці точки М (див. Рис. 2), в тій частині, де хвильова поверхня утворює воронкообразное поглиблення. У нашій роботі експериментально була перевірена фокусуються здатність плоскопараллельной пластинки з ромбічної сірки [30].

    висновки

    Успішне вирішення технічної задачі по поліровці кристалів ромбічної сірки дозволило нам виконати експерименти, які, на нашу думку, продовжують ряд експериментальних робіт Ллойда, Поггендорф, Фойгта і Рамана. Нами вперше були: 1) отримані картини внутрішньої конічної рефракції великого розміру до 1 м в діаметрі; 2) проведено спостереження двох кілець зовнішньої конічної рефракції з використанням кільцевої діафрагми і 3) зроблені вимірювання фокусує здатності кристалічної пластинки. Проведено оцінку ступеня концентрації енергії в напрямку бірадіалі за умов реалізації зовнішньої конічної рефракції. Для доказу відсутності подвійної структури в кільцях зовнішньої конічної рефракції нами було проведено «ехрегешеПцш стсІ8» з кільцевої діафрагмою.

    У більшості довідкових посібників визначення конічної рефракції засновані на математичному розгляді хвильової поверхні Г амільтоном і представляють на сьогодні історичний інтерес. Строго кажучи, у Г амільтона з фізичної точки зору не точні обидва визначення для конічної рефракція, так як єдиний промінь в реальних умовах не може сформувати ні конуса внутрішньої, ні конуса зовнішньої конічної рефракції. Щодо внутрішньої конічної рефракції це було показано Фойгт. Для реалізації зовнішньої конічної рефракції необхідний порожнистий конус променів, сфокусований на поверхню кристала, що було показано в нашій роботі.

    У наших експериментах показано, що кільця зовнішньої і внутрішньої конічної рефракції подвійні, так як вони формуються в результаті двупре-ломленія. Розподіл інтенсивності світла в подвійному кільці внутрішньої конічної рефракції узгоджується з визначеннями по Фойгту, а відстань між двома кільцями зовнішньої конічної рефракції

    визначається товщиною кристалічної пластинки. Тому можна виділити п'ять особливостей подвійного променезаломлення в напрямках, які близькі до напрямів оптичних осей в двуосного кристалах: 1) напрямку променів по бинормали відповідає темне кільце Поггендорф; 2) в умовах формування світлових кілець «зовнішньої конічної рефракції» відбувається концентрації енергії всередині кристала уздовж бірадіалі; 3) в кільцях «конічної рефракції» виникає впорядкована «конічна поляризація»; 4) хвильова поверхня двуосного кристалів володіє фокусирующими властивостями; 5) обов'язковим атрибутом «конічної рефракції» в реальних умовах є формування світлої плями в центрі кілець внутрішньої конічної рефракції.

    Френель визначив хвильову поверхню двуосного кристалів, коли допустив, що поширення світлових коливань в середовищі визначається

    пружними властивостями ефіру в двох поперечних напрямках. Ця робота свого часу стимулювала розвиток нової галузі науки - теорії пружності (роботи Нав'є, Коші і Гріна). Природно, що в даний час розширюється коло досліджень, пов'язаних з конічною рефракцією. Так, наприклад, розглядалися розподілу інтенсивності по перетину світлових пучків [19, 24-28, 32], розраховується конічна рефракція в оптично активних кристалах [21, 33]. А оскільки конічна рефракція, що з'явилася в крісталлооптіке, описується єдиною теорією коливань, то поняття конічної рефракції використовуються в інших областях фізики: магнітної гідродинаміки [34-35], при дослідженні квазіоптичних електромагнітних пучків [36, 37], в акустичній кристалографії [38]. Подяки

    Автор вдячний А. Аржаніку за допомогу при фотографуванні.

    література

    1. Борн М., Вольф Е. Основи оптики. М., 1970.

    2. Hamilton W.R. // Transactions of the Royal Irish Academy. 1837. V. 17. Part 1. P. 1-144.

    3. Lloyd H. // Phil. Mag. 1833. V. 1. P. 112-120, 207-210.

    4. Lloyd H. // Trans. R. Irish. Acad. 1837. V. 17. P. 145-157.

    5. Гамільтон Вільям Роуен. Вибрані праці: Оптика. Динаміка. Кватерніони. М., 1994.

    6. Полак Л. С. Вільям Гамільтон: 1805-1865. М., 1993.

    7. O'Hara J.B.// Proc. R. Ir. Acad. 1982. V. 82A. No. 2. P. 231-257.

    8. Poggendorf J.C. // Annalen der Physik. 1839. B. 48. S. 461-463.

    9. Voigt W. // Z. Physik. 1905. B. 6. S. 672-673; 818-820.

    10. Wooster W.A. A Text-book on Crystal Physics. Cambridge of University Press, 1938.

    11. Raman C.V. // Nature. 1921. V. 107. P. 747.

    12. Raman C.V., Rajagopalan V.S., Nedungadi T. M. K. // Proc. Ind. Acad. Sci. A. 1941. V. 14. P. 221-227.

    13. Raman C.V., Rajagopalan V.S., Nedungadi T. M. K. // Nature. 1941. V. 147. P. 268.

    14. Raman C.V., Nedungadi T. M. K. // Nature. 1942. V. 149. P. 552-553.

    15. Melmore S.// Nature. 1942. V. 150. No. 3804. P. 382-383.

    16. Melmore S.// Nature. 1943. V. 151. No. 3839. P. 620-621.

    17. Burns R.P. // Applied Optics. 1964. V. 3. No. 12. P. 1505-1506.

    18. Haas W., Johannes R.// Appl. Opt. 1966. V. 5. No. 6. P. 1088-1089.

    19. Schell A.J., Bloembergen N. // J. Opt. Soc. Am. 1978. V. 68. No. 8. P. 1093-1098.

    20. Schell A.J., Bloembergen N. // J. Opt. Soc. Am. 1978. V. 68. No. 8. P. 1098-1106.

    21. Schell A. J, Bloembergen N. // Physical Review A. 1978. V. 18. No. 6. P. 2592-2602.

    22. Перкальскіс Б.Ш., Михайличенко Ю.П. // Изв. вузів. Фізика. 1979. № 8. C. 103-105.

    23. Величкина Т.С., Васильєва О.І., Ізраіленко А.І., Яковлєв І.О. // УФН. 1980. Т. 130. Вип. 2. С. 257-259.

    24. Fіve J.P., Boulanger B., Marnier G. // Optic. Commun. 1994. V. 105. No. 3-4. P. 243-252.

    25. Belsky A.M., Stepanov M.A. // Opt. Commun. 1999. V. 167. P. 1-5.

    26. Belafhal A. // Opt. Commun. 2000. V. 178. P. 257-265.

    27. Dreger M. A. // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 1999. V. 1. P. 601-616.

    28. Berry M.V., Jeffrey M. R., Lunney J.G // Proc. R. Soc. A. 2006. V. 462. P. 1629-1642.

    29. Друде П. Оптика / Пер. з нім. під ред. Т.П. Кравця. М .; Л., 1935.

    30. Михайличенко Ю.П. // Изв. вузів. Фізика. 2000. № 6. C. 96-98.

    31. Смирнов В.І. Курс вищої математики. Т. 1. М., 1974.

    32. Козак Н.С., Хіло Н.А., Рижевіч А.А. // Квантова електроніка. 1999. Т. 29. C. 184-188.

    33. Belsky A.M., Stepanov M.A. // Opt. Commun. 2002. V. 204. P. 1-6.

    34. Сивухин Д.В. // Магнітна гідродинаміка. Рига, 1966. №1. С. 35-42.

    35. Tsiklauri D. // Phys. Plasmas. 1996. V. 3. No. 3. С. 801-803.

    36. Бродський Ю.Я., Кондратьєв І.Г., Міллер М.А. // Изв. вузів. Радіофізика. 1969. Т. 12. № 9. С. 1339-1350.

    37. Бродський Ю.Я., Кондратьєв І.Г., Міллер М.А. // Изв. вузів. Радіофізика. 1972. Т. 15. № 4. С. 592-599.

    38. Александров К.С. Акустична кристалографія // Проблеми сучасної кристалографії. М., 1975. С. 327- 345.

    Надійшла до редакції 15. 12. 2006


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити