O examinare atentă a anizotropiei în funcție de orientarea specimenului permite identificarea diferenței de indice de refracție și orientarea razelor de lumină extraordinare și obișnuite produse de materialele birefringente. Acest tutorial explorează modul în care pot fi folosiți compensatorii pentru a ajuta la determinarea parametrilor de orientare a materialelor anizotrope.

tehnici

Pentru a determina orientările rapide și lente ale razelor de lumină într-un material birefringent, specimenul este plasat de obicei pe o etapă circulară rotativă de 360 ​​de grade între polarizatori încrucișați într-un microscop optic. Axele elipsei indicelui specimenului sunt orientate în diagonală, într-o poziție corespunzătoare a 45 de grade față de direcțiile de vibrație ale polarizatorului și analizorului. Apoi, un accesoriu birefringent sau o placă de compensare compusă din cuarț, muscovit sau gips montat într-un suport specializat se adaugă la calea luminii într-o orientare specifică. Plăcile de compensare, care produc o diferență fixă ​​de cale optică între specimen și placă, sunt montate și orientate cu grijă într-un cadru dreptunghiular, astfel încât identitățile axelor de vibrație rapidă și lentă să fie cunoscute și fixate. Cea mai obișnuită placă de compensare este adesea denumită placă de gips sau placă cu unde complete și are o diferență de cale optică cuprinsă între 550 și 580 nanometri.

De regulă, raza lentă (având un indice de refracție efectiv mai mare) este orientată în direcția nord-vest-sud-est față de polarizator și analizor. Introducerea plăcii de compensare de prim ordin (fie înainte de eșantion, dar după polarizator, fie după eșantion, dar înainte de analizor) la calea luminii va adăuga diferența de cale optică (550 până la 580 nanometri) la toate căile optice din câmpul de vizualizare al microscopului . Fundalul, care este complet întunecat atunci când predomină o diferență de cale optică de zero (cum este cazul polarizatoarelor încrucișate fără placă de compensare), apare acum de culoare magenta sau roșie, care este adesea denumită Roșu I sau roșu de prim ordin. Dacă raza lentă emanată de specimen are un vector de vibrație care este paralel cu raza lentă a plăcii cu undă completă, diferențele de lungime de undă se vor adăuga și va apărea o culoare de polarizare mai mare. Acest efect este denumit aditiv. În cazurile în care direcția specimenului și a plăcii cu undă completă razele lente sunt orientate la unghiuri de 90 de grade între ele, diferențele de lungime de undă se vor scădea și va rezulta o culoare de polarizare mai mică (cunoscută sub numele de efect subtractiv). Rotirea specimenului cu 90 de grade pe scena circulară ar trebui să confirme identificarea razelor rapide și lente.

Așa cum s-a discutat mai sus, construcția majorității plăcilor de compensare asigură faptul că dimensiunea lungă a plăcii este orientată nord-vest-sud-est față de polarizatorul microscopului și direcțiile de vibrație ale analizorului. Direcția de vibrație a razelor rapide este plasată cel mai adesea paralel cu axa lungă (lungimea) cadrului plăcii de compensare, rezultând direcția de vibrație a razei lente orientată pe lățime sau axa scurtă. Prin urmare, atunci când placa de compensare este plasată între polarizatoarele încrucișate, direcția rapidă a vibrației razelor este Nord-Vest-Sud-Est, în timp ce cea a razei lente este Nord-Sud-Sud-Vest. Când o placă de compensare a valului complet este plasată între polarizatoare, culoarea magenta distinctă observată se află la limita dintre culorile de întârziere de ordinul I și II. Alte plăci, cum ar fi o placă de mică sau de gips, vor produce grade mai mici sau variate de întârziere, în funcție de proiectarea plăcii. Placa de mica produce o diferență de cale optică de 140-155 nanometri (în funcție de producător), în timp ce panoul de cuarț produce o gamă largă de valori de întârziere.

Compensatoarele variază în ceea ce privește gama diferențelor de cale optică (numărul de comenzi) acoperite și modul în care elementul birefringent este plasat în orientări strategice pentru a permite introducerea diferențelor de fază variabile continuu. Doi factori primari determină alegerea corectă a compensatorului. Un compensator satisfăcător trebuie să fie capabil să compenseze cea mai mare diferență de cale optică așteptată, iar sensibilitatea trebuie să fie adecvată pentru a determina deplasările de fază foarte mici. De exemplu, dacă se suspectează că un cristal birefringent necunoscut are o diferență de indice de refracție (n (e) - n (o)) în jurul a 0,25, iar grosimea este de aproximativ 20 microni, atunci diferența așteptată a căii optice este aproape de 500 nanometri. În acest caz, o placă de compensare de prim ordin (întârziere de 550 nanometri) va îndeplini sarcina în mod adecvat. Alternativ, un compensator cu o gamă de patru comenzi ar avea o ajustare foarte mică cu acest specimen, ducând la o măsurare mai puțin precisă.

Următoarea procedură este sugerată pentru determinarea identităților orientărilor de vibrații pentru razele lente și rapide într-un material birefringent necunoscut. În primul rând, rotiți stadiul microscopului până când cristalul afișează cantitatea maximă de dispariție (Figura 1 (a)). Exemplul de cristal ilustrat în Figura 1 are direcția de vibrație a razelor lente paralelă cu axa lungă a cristalului și o direcție corespunzătoare de vibrație a razelor rapide paralelă cu axa scurtă. Prin convenție, direcția de vibrație a polarizatorului este setată la Est-Vest (poziția EW prescurtată), în timp ce analizorul este orientat cu direcția de vibrație în orientarea Nord-Sud (prescurtată NS), la un unghi de 90 de grade față de direcția de vibrație a polarizatorului. Când scena este rotită pentru a orienta cristalul la un unghi de 45 de grade în sensul acelor de ceasornic (cu axa lungă orientată Nord-Sud-Vest; Figura 1 (b)), luminozitatea maximă este observată la examinarea cristalului prin ocularele microscopului. Cristalul din Figura 1 apare alb, dar alte cristale cu un grad mai mare de grosime sau birefringență pot avea culori de primul (sau ordin superior) care pot fi deduse examinând o diagramă de culori Michel-Levy.

Următorul pas este să introduceți un compensator cu undă completă în slotul pentru accesorii microscop pentru a produce o diferență de cale optică de 550 nanometri, așa cum este ilustrat în Figura 1 (c). Pentru a determina dacă culoarea de interferență rezultată (galben în Figura 1 (c)) este mai mare sau mai mică, se efectuează o inspecție și rezultatele comparate cu o diagramă de culori Michel-Levy. Deoarece placa de compensare adaugă 540 nanometri la toate căile optice, culorile de interferență produse de specimen care sunt mai mici decât această valoare reprezintă o birirefringe negativă, în timp ce culorile de ordinul superior corespund cu birrefringența pozitivă. În Figurile 1 (c) și 1 (d), culorile de interferență sunt galben (aproximativ 350 nanometri) și albastru (aproximativ 650 nanometri), respectiv. După cum sa discutat anterior, axa lentă a plăcii de compensare este orientată perpendicular pe cadru (nord-est-sud-vest). Prin urmare, lungimile de undă ale culorii de interferență ar trebui să fie deplasate la valori mai mari atunci când axa lentă a compensatorului se aliniază cu axa lentă a cristalului. Rețineți că cristalul din Figura 1 (c) prezintă o culoare de interferență de 350 nanometri (galben), ceea ce indică faptul că axa lentă a cristalului este suprapusă pe axa rapidă a compensatorului și perpendiculară pe axa lentă.

Când cristalul este rotit cu 90 de grade în sens invers acelor de ceasornic (Figura 1 (d)), culorile de interferență de ordin superior (albastru de ordinul doi) sunt văzute prin ocularele microscopului. În această orientare, axa lentă a cristalului este paralelă cu axa lentă a compensatorului. Dovezile confirmă faptul că raza rapidă refractată de cristal are o axă care coincide cu axa lungă a cristalului și raza lentă este paralelă cu axa scurtă a cristalului. În general, scăderea culorilor de interferență este indicativă pentru faptul că raza de cristal lentă este paralelă cu axa rapidă de compensare. La fel, creșterea culorii interferenței confirmă faptul că raza lentă a cristalului este paralelă cu axa lentă a compensatorului.

Dacă un mineral necunoscut prezintă o culoare de interferență gri sau alb de ordinul întâi (aproximativ 200 nanometri), culoarea adăugată de o placă roșie de ordinul întâi dă o culoare de ordinul doi, în timp ce scăderea culorii are ca rezultat o culoare de lungime de undă mai mare, de ordinul întâi. În acest caz, se produce o culoare de ordin superior în ambele orientări.

Mortimer Abramowitz - Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Melville, New York, 11747.

Matthew J. Parry-Hill și Michael W. Davidson - Laboratorul național de câmp magnetic înalt, 1800 East Paul Dirac Dr., Universitatea de Stat din Florida, Tallahassee, Florida, 32310.