Введение к работе
Актуальность темы. Оптические свойства кристаллов изучаются достаточно .вавно, однако, в настоящее время в связи с развитием квантовой электроники, магнито-, электро- к пьезооптики, лазерной спектроскопии перед кристаллооптикой, изучающей эти свойства, возникают новые задачи. Оптические свойства кристаллов используются в различных областях физики и техники, причем не только непосредственно, но и опосредовано в качестве источников информации при изучении различных физических явлений, включая реологию. В связи с этим является актуальний изучение влияния внешних воздействии на оптические свойства кристаллов, в частности с пелью создания управляемых оптических устройств.
Ранее исследовавшиеся влияния различных внешних воздействия привели к открытию ряда явлений, связанннх с изменением параметров оптической индикатрисы и поглощения (описызасдих симметричную часть тензора диэлектрической проницаемости кристалла): пьезооптического, электрооптического эффектов, явления пьезоотрачения, эффекта Котто-на-Мутона и т.д..Кроме того изучение влияния внешних полей на такое оптическое свойство как оптическая активность (гиротрог.ия) привело к открытию эффектов электрогирации, пьезопгоации и т.п.. Такие индуцированные внешними воздействиями явления в изотропных кристаллах нашли широкое применяние в поляризационной оптике и спектроскопии. Однако эта явления з низкосимметричных анизотропных-кристаллах изучены гораздо хуле и не находят поэтому достаточного применения. Это связано с тем, что, в направлениях, отличных от оптических осей такие эффекты как правило являются малыми добавками к естественной анизотропии и маскируются ею. Лишь л последнее время появились прецизионные экспериментальные методы, позволяющие, например, исследовать оптическую активность кристаллов при наличии сильного двупре-ломления. Однако эти методы достаточно трудоемки и требуют различных приближения для описания вкладов разных эффектов в измеряемые параметры. Поэтому представляется важным и актуальным исследование влияния различных воздействий на оптические свойства в кристаллографически анизотропном направлении, но в тех спектральных областях, где естественная оптическая анизотропия кристаллов отсутствует или вносит незначительный маскирующий вклад в суммарный эффект. Такую возможность предоставляет наличие -изотропных точек в кристаллах/ так как эти точки дают возможность (средство и инструмент) для изучения влияния внешних воздействий на оптические свойства в кристал-
лографически анизотропном направлении "нулевым методом", обладающим большей чувствительностью по сравнению с известными. Такие точки наблюдаются в ряде кристаллов к их* классов (например в кристаллах А2В6 симметрии вюрцита), а также могут бнть индуцированы в анизотропных кристаллах внешними воздействиями. Так с помощью одноосного сжатия вдоль оси оптически одноосного отрицательного кристалла при выполнении необходимого- условия - различия дисперсии соответствующих льез.оЪптических констант и двупрёломления,.можно ожидать возникновения -изотропной точки в таком сжатом кристалле.
Важность исследования.влияния внешних воздействия на оптичес~ кие свойства в значительной мере определяется и тем, что, как было обнаружено, достаточно большие воздействия, приводящие к пластической деформации кристалла, могут проявляться в виде остаточных оптических аномалий,пропорциональных этим воздействиям - пьезооптичес-кой памяти этих воздействий. Такая память не только может использоваться при создании различных оптических устройств, оценке качества кристаллов и т.д., но в принципе позволяет реконструировать термодинамические условия предварительного воздействия, испытанного кри-
сталлом, что имеет как научное, так и прикладное значение при решении различных задач материаловедения; технологических, реологических, геологогМЕнералогических и т.п..
Таким образом, изучение влияния внешних воздействии на оптические свойства кристаллов (в том числе анизотропных с -изотроп-аыми точками), приводящих в ряде случаев к пьезооптическои памяти этих воздействий, так же как и исследование собственно явления пьезооптическои памяти, является ванной задачей, актуальность которой
'несомненна для различных отраслей знания..
Целью настоящей работы является экспериментальное и теоретическое исследованке(главным образом на примере анизотропных кристал- лев с -изотропной точкой) оптических свойств кристаллов, индуцированных и измененная различными внешними воздействиями (полем-механических напряжений, магнитным и электрическим полями), приводящими как к обратимым, так и к необратимым (пьезооптическои памяти) изнененияа':этих оптических свойств. Исследование включает: разработку методов (в том числе нулевых) определения оптических параметров кристаллов, включая анизотропные, поглощающие и кристаллы с -изо-тропнши точками, находящихся под внешним воздействием и после его снятия; применение этих методов для наблюдения индуцированных (и измененных) воздействиями оптических эффектов; выяснение природы обнаруженных эффектов и оосулдение возмоанссти их применения ДЛь
решения различных прикладных, задач.
7ля достижения этой иели необходимо было решить ел едущие
основнке задачи:
-разработать методы локального прецизионного (интерференционного, в частности) определения оптических параметров кристаллов и чувствительные (нулевые) методы обнаружения в кристаллах с -изотропной точкой оптических эффектов, индуцированных различными воздействиями (в кристаллографически анизотропных направлениях). -на основании разработанных и известных методов изучить различные оптические свойства ряда кристаллов, особенности этих свойств в анизотропных кристаллах с г-изотропной точкой и возможности использования последних для создания оптических устройств типа узкополоснкх фильтров; -изучить влияние различных воздействий (магнитного,и электрического полей, поля механических напряжений, а также пведвари-- тельного напзукения) на оптические свойства кристаллов на примере анизотропных кристаллов с -иг-отпопной точкой; приводящее к искажениям оптической индикатрисы и гиротропным эффектам: -экспериментально изучить влияние предварительных воздействий (главным образов - напзукения) на оптические свойства широкого класса различных кристаллов,-выявить явление пьезооптической памяти этих воздействий, (как изменения оптических свойств кристаллов, пропорционального параметтак предварительного воздействия); ^ -изучить явление пьезооптической памяти, индуцированной в неоднородных кристаллах условиями их кристаллизации; -изучить явление пьезооптической памяти при различных способах предварительного нагпужекия (всестороннем и одноосном), возможности её использования для решения прикладных задач, включая обратные (реконструкции па^иметпов предварительного воздействия), и разработать методы кх"ре"'енил; Научная новизна и практическая значимость. Созданы новые экспериментальные методы определения кристалло-
эптических папаметров-
і) локального определения частотной дисперсии показателей ггоеломле-
v.m прозрачных кристаллов,
1) определения частотной дисперсии двуппеломлення одноосных кристаллов с инверсией двуппеломлення.
Заработан спектро&зометрический метод анализа природы анома-
лий пропускания систем: поляризатор - одноосный кристалл с -изотропной точкой ~ анализатор, в спектральной окрестности изотропной точки, позволяющий экспериментально разделять вклады индуцированного двуппеломления и гиротропйи:
В неоднородных по разности хода (толщине) кристаллах с инверсией двупреломления на примере клиновидных кристаллов экспериментально обнаруяена селективная (наблюдаемая в уз^ой спектральной области) двухлучевая; предсказана и рассчитана селективная многолучевая интерференции поляризованных лучей. Обнаружено селективное рассеяние света мелкодисперсными средами из частиц с -изотропной точкой.
С помощью разработанного спектрофазометрического метода в ани-'зотропном направлении гиротропиого одноосного кристалла с -изс~-тропной точкой экспериментально обнаружен эффект компенсации естественной оптической активности эффектом Фарадея в нем. Это можно исгшлкзовать для измерения дисперсии вращения плоскости поляризации света и создания управляемых магнитным полем по ігоопусканию узкополосных светофильтров.
Впервые экспериментально обнаружено явление пьезоиндуцирован-нойгирации в негиротропном кристалле.
Впервые в пирохок классе кристаллов экспериментально обнаружено к описано явление пьезооггсической памяти предварительного пластического нагружения,проявляющееся в изменении оптических свойств свободных, предварительно деформированных кристаллов, пропорциональном с точностью до погрешности измерения испытанной нагрузке (величина которой, например, для всестороннего сжатия достигала 80 кбар)
Впервые экспериментально получена единая (для различных кристаллов) эмпирическая, зависимость, связывающая величину предварительной нагрузки {/0} с эффективным остаточным напряжением'{X} , определенным по изменению оптических свойств кристалла в результате испытанного им предварительного воздействия. Экспериментально обнару-іено'влияние на это напряжение таких термодинамических параметров воздействия, как температура (Т), при которой осуществлялось предварительное нагоужевие, и его длительность (-с).'Впервые получена общая Функциональная зависимость такого остаточного напряжения и измеряемого изменения оптических характеристик кристалла от всех параметров предварительной нагрузки ({Х}=| ({?}> Т,т)).
Впервые экспериментально и теоретически исследован упругоопти-ческм эффект з неоднородных кристаллах, вызванный несовпадением термодинамических условий их кристаллизации и условий наблюдения,-
являющийся пьезооптической памятью кристаллов ой условиях их образования.
Оптические аномалии, обнаруженные в широком классе реальных кристаллов, включая природные, позволили, с помощью представления о пьезооптической памяти реконструировать испытанные кристачлами предварительные нагрузки и термодинамические условия кристаллизации.
Обнаруженные эффекты находят широкое практическое применение. Например,.на основе кристаллов с -изотропной точкой можно создать" узкополоснне оптические светофильтры (см,а.с. В 637768) ( и подобные им оптические устройства), пропускание и длина волны которых может быть задана с помощью различиях исследованных вчеяних воздействий, включая предварительные нагрузки.
Явление пьезооптической памяти обладает и самостоятельной практической ценностью, так как в принципе позволяет, выяснять термодинамические ( {?} ,Т , Т ) условия кристаллизации и испытанных кристаллами предварительных воздействии, что ваяно при создании управляемого синтеза кристаллов, при решении различных реологических задач материаловедения, включая обратные. Приведенный з работе широкий круг реконструкций термодинамических условий образования и наложенных на природные кристаллы предварительных воздействии имеет важное значение при решении ряда геофизических и геологических задач. Достоверность таких реконструкций гарантирована совпадением данных, полученных с помощью предлагаемых процедур и полученных другими методами, включая априррное задание -реконструируемых параметров в лабораторных условиях На защиту выносятся следующие основные положения: -обнаруженные и исследованные (с помощью разработанных, включая нулевые, и известных экспериментальных коисталлооптических методов) оптические эффекты в кристаллографически анизотропных направлениях кристаллов с инверсией двупреломления в спектральной окрестности -изотропной точки Ха :
а)естественные - впервые наблюденные селективная интерференция поляризованных лучей и селективное рассеяние света; б) индуцированные различными внешними воздействиями (магнитным и электрическим полями, полем механических напряжений, предварительным нагрухением), включая впервые экспериментально обнаруженное явление пьезоиндуцировакной гирации негиротропных кристаллов.
-полученные экспериментальные данные по влиянию предварительного пластического деформирования (всесто-поннего (квазигидростатического) и одноосного) ка оптические свойства широкого круга кри-
-$-
сталлов, различающихся по своим кристаллографическим, диэлектрическим, механическим и оптическим параметрам; -установленные экспериментально для каждого исследуемого кристалла (материала) приблизительно линейные зависимости изменения соответствующего оптического свойства от величины предварительной' нагрузки (свидетельствующие о наличии пьезоопгической памяти испытанной нагрузки); выявленная единая для различных исследованных материалов зависимость, связывающая эффективное остаточное механическое напряжение (определяемое по наблюдаемым оптическим аномалиям предварительно деформированных кристаллов) с величиной предварительной нагрузки, а также зависимость этого напряжения от прочих параметров воздействия (температуры и длительности) (на примере граната)1,
-описанная пьезооптическая память неоднородных коисталлов о термодинамических условиях их образования как упругооптический эффект, вызванный несовпадением этих условий ({pj , Т) при кристаллизации и наблюдении таких кристаллов;
-предлагаемое практическое применение обнаруженных и исследованных оптических эффектов, включающее создание управляемых светофильтров на основе двупреломлящих сред с инверсией двупрелом-ления, а также оценку параметров термодинамических условий образования кристаллов и испытанных ими предварительных воздействий.
Выполненный комплекс\исследований, включая возможности их практического применения в некоторых областях прикладной оптики и генетической кристаллографии создают базу нового научного направления.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесоюзной федоровской научной сессии (Ленинград, ІУ73, 197b, 1976, 1977, 1978, 1979, 1982, 1983); II Всесоюзном совещании по применению методов ин-.дуцированного двупреломления в кристаллооптике (Москва, 1972 г.); ІУ Всесоюзном симпозиуме по проблеме изоморфизма (Казань, 1977 г.); ХУШ Всесоюзном съезде по спектроскопии (Горький, 1977 г.); П Есесоюзном минералогическом семинаре (Сыктывкар, 1980 г.); Всесоюзном совещании ".Проблемы неотектоники и динамики литосферы" (Таллин, 1982 г.); У Всесоюзном симпозиуме по проблеме изоморфизма (Черноголовка, 1981 г.); Всесоюзном симпозиуме "Современная техника и методы экспериментальной минералогии" (Черноголовка, 1983 г.); научной сессии по минералогиче-ок ч кристаллографии (Одесса, 198ч- г.); семинаре экспериментаторов СМосква, 1984 г.); заседании секции кристаллографии и кристаллохимии Ленинградского общества естествоиспытателей (Ленинград, 1984 г.);
~Q-
I Всесоюзном симпозиуме "Термодинамика в геологии" (Суздаль, 1985г.); Всесоюзном совещании "Теория я методология минералогии" (Сыктывкар, 1985 г.); Всесоюзном семинаре "Оптика анизотропных сред" (Москва, 1985 г.); УП Всесоюзном совещании по термобарометрии по включениям в минералах (Львов, 1985 г.); П Всесоюзном совещании по углероду (Москва, 1986 г.)"» П Всесоюзной геохимико-геофизической школе (Звенигород, 1986 г.)J УП Цьезде Всесоюзного минералогического общества (Ленинград, 1987 г.); X Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1987 г.); Всесоюзном научно-техническом совещании по-использованию физических свойств алмазов для совершениствования технологии их обогащения (Москва, 1987 г.) Всесоюзном семинаре "Оптика анизотропных сред" (Звенигород, 1987 г.); Всесоюзном петрологическом симпозиуме (Ленинград, 1988 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 75 работ, получено авторское свидетельство ^637768 на изобретение интерференционно-поляризационного фильтра. Список основных работ.составляет 45 наименований и приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит.384 страниц, включая 9 таблиц, 53 рисунка 41 страниц библиографического списка из АОО наименований.
