منشور نیکول Nicol prism
مفاهیم پایه

    کلسیت (CaCO3) نوعی کریستال دوشکستی است که در سال1669«اراسموس بارتولین» پدیده دو شکستی آن را کشف کرد. زمانی که این کریستال روی نوشته‌ای قرار می‌گیرد، از آن دو تصویر حاصل می‌کند. برای یک پرتو نور که بطور عمود به سطح کریستال می‌رسد، در داخل کریستال دو پرتو خواهیم داشت.

    یکی از این پرتوها را پرتو عادی می‌گویند که تابع قانون اسنل است و سرعت و ضریب شکست ثابتی دارد. پرتو دوم ، از قانون اسنل تبعیت نمی‌کند و آنرا پرتو غیر عادی می‌گویند. این پرتو در امتدادهای مختلف داخل بلور ، سرعتهای متفاوت و به تبع آن ضریب شکستهای مختلف خواهد داشت.

    در سال 1678«هویگنس» کشف کرد که پرتوهای عادی و غیرعادی ، نور قطبیده هستند. پس وقتی پرتوی ، روی کریستال دوشکستی فرود می‌آید، به دو پرتو که در دو راستای متفاوت انتشار می‌یابند، تقسیم می‌شود. و در هنگام خروج از کریستال دو باریکه پلاریزه خطی بدست می‌آید و این باعث می‌شود که دو تصویر از یک شیئ واحد دیده شود. اگر کریستال را روی جسم بچرخانیم، یکی از این تصویرها ثابت می‌ماند و تصویر دیگر حول آن می‌چرخد و در لحظه خاصی این دو تصویر روی هم منطبق می‌شوند.

    تصویر ثابت ، همان تصویری است که از پرتوهای عادی بدست می‌آید. تصویر چرخان هم ، تصویر حاصل از پرتوهای غیر عادی می‌باشد. جایی که دو تصویر به یک تصویر واحد تبدیل می‌شوند، محل محور نوری کریستال است. در روی محور نوری ، تمام خصوصیات پرتوهای عادی و غیرعادی یکسان است.

    دو نوع کریستال دوشکستی داریم: کریستال دوشکستی مثبت و کریستال دوشکستی منفی. اگر سرعت پرتو عادی بیشتر از پرتو غیر عادی باشد، کریستال را مثبت گویند. به عبارت دیگر ، در کریستال مثبت ، ضریب شکست پرتو عادی کمتر از ضریب شکست پرتو غیر عادی می‌باشد.

    اگر سرعت پرتو غیرعادی ، بیشتر از پرتو عادی باشد، کریستال را منفی گویند. یعنی در کریستال منفی ، ضریب شکست پرتو غیر عادی کمتر از ضریب شکست پرتو عادی است. کلسیت از نوع منفی کریستال می‌باشد که به عنوان مثال برای نور زرد ، ضریب شکست پرتو عادی کلسیت 1.69 و ضریب شکست پرتو غیرعادی آن 1.48 می‌باشد (1.48<1.69).

    اگر جلوی عبور یکی از این پرتوها را بگیریم، یا آن را به نحوی منحرف کنیم، پرتو دیگر ، پرتو قطبیده‌ای با درجه قطبش بالا خواهد بود. منشور نیکول اولین کریستال دو شکستی قطبنده‌ای است که برای این منظور ساخته شده است.

منشور نیکول

در سال 1828«ویلیام نیکول» منشوری ساخت که به نام منشور نیکول معروف شد. او قطعه‌ای از کریستال کلسیت طبیعی را انتخاب کرد که به شکل متوازی السطوحی با زاویه حاده 71 درجه بود ( ساختار هندسی توده کلسیت بصورت متوازی السطوح است).

نیکول برشهایی را در طرفین کریستال ایجاد کرد، تا جایی که زاویه 71 درجه به 68 درجه کاهش یافت، سپس کریستال را در امتداد قطر کوچک آن به دو قسمت تقسیم کرد و با چسبی بنام صمغ کانادا (Canada Balsam) این دو قطعه را به هم وصل کرد ( صمغ کانادا چسبی شفاف برای نور مرئی است، که ضریب شکست آن برای نور زرد 1.55 می‌باشد). بدین ترتیب ، کلسیت به منشور بی‌رنگی بنام منشور نیکول تبدیل می‌شود.

نحوه عملکرد منشور نیکول

می‌دانیم که نور طبیعی در تمام جهات قطبش دارد، (میدان الکتریکی آن در تمام جهات مولفه دارد) اگر این نور تحت زاویه‌ای نسبت به محور نوری به منشور نیکول بتابد، در اولین سطح جدایی (بین هوا و لبه منشور) پدیده دو شکستی ، آن را به مولفه‌های قطبیده موازی و عمود بر محور نوری تجزیه می‌کند.

بنابراین در دومین سطح جدایی (بین لبه بریده شده منشور و صمغ کانادا) دو پرتو دارای زاویه تابش متفاوتی خواهند بود. با توجه به اینکه ضریب شکست کلسیت برای پرتو غیر عادی و ضریب شکست صمغ کانادا تقریبا باهم برابرند، لذا پرتو غیر عادی با کمی بازتابش وارد نیمه دوم کریستال می‌شود و در نهایت از طرف دیگر بلور در امتداد موازی با پرتو فرودی و با کمی جابجایی خارج می‌شود.

ولی در مورد پرتو عادی ، چون ضریب شکست کلسیت بیشتر از ضریب شکست صمغ کانادا است، یعنی نور از محیط غلیظ وارد محیط رقیق می‌شود، پس احتمال بازتابش داخلی کلی وجود دارد. بدین ترتیب ، پرتو عادی پس از بازتابش کلی ، به طرف قاعده منشور منحرف می‌شود.

حال اگر مجموعه‌ای از پرتوها را به منشور نیکول بتابانیم، پرتوهای غیرعادی از وجه مقابل و پرتوهای عادی از قاعده خارج می‌شوند. در اغلب موارد ، روی قاعده موادی قرار می‌دهند تا پرتو بازتاب یافته را جذب کند و فقط از پرتوهای قطبیده عبوری استفاده می‌کنند. ولی در بعضی از دستگاههای نوری ، پرتوهای بازتابیده نیز که دارای درجه قطبش بالایی هستند، در قسمت دیگری از سیستم مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در منشورهای پیشرفته بجای صمغ کانادا ، لایه نازکی از مواد خاصی را قرار می‌دهند. امروزه معروفترین این منشورها ، منشور گالن تیلور می‌باشد که بهترین قطبش دهنده نور است و می‌توان گفت نور عبوری تماما قطبیده است. منشور نیکول اغلب به عنوان یک آنالیزور استفاده می‌شود، فقط در ساخاریمتر (Saccharimeter) به عنوان پلاریزور مورد استفاده قرار می‌گیرد.