Диссертация (Кристаллы семейства калий-редкоземельных вольфраматов как материалы для акустооптики), страница 4

Амплитуду второгоимпульса подбирают таким образом, чтобы амплитуды складывающихсяимпульсовоказывалисьпримерноравны,обеспечиваятакимобразоммаксимальный размах изменений перекрывающихся частей: практически от нулядо удвоенной амплитуды возвращающихся импульсов.Регистрацию разности фаз удобно вести визуально по осциллографу: еслиимпульсы складываются в фазе, то в области перекрытия они складываются инаблюдается «всплеск» (Рис. 1.4, а1-а2), а если в противофазе, то гасят друг другаи наблюдается «провал» на осциллограмме (Рис. 1.4, б1-б2).Длительность акустических импульсов должна быть, по меньшей мере, в 2раза меньше, чем время пробега ультразвука по кристаллу, а период следованиясерии ультразвуковых импульсов должен быть много больше, чем периодполного прохода ультразвука по системе буфер-кристалл.Перестраивая частоту звука, регистрируют последовательно чередованиесложения импульсов в фазе и в противофазе [6] (Метод МакСкимина).

С учетомтого, что каждая пара чередований соответствует сдвигу фаз на 2π, можноопределить «шаг» чередования по частоте: ∆ν = ∆f / m, где m – число шагов, ∆f –соответствующий диапазон перестройки по частоте. Окончательно скоростьвычисляется по формулеV = ∆ν∙2l(1.5)-- 20 --осциллографtt6l1l2t5t4а1t3t2б1t1∆νl1а2l2б2буферобразецfРис. 1.4. Схема регистрации разности фаз отраженных импульсов, где l1 и l2 –длиныПервыйбуфераиизвторойизвестногоматериалаимпульсыиобразца.(обозначенныеразнымицветами/оттенками), различающиеся по амплитуде и длительности,показаны в 6-сть разных моментов времени:t1 = 0;t2 = Tбуф;t5 = Tбуф + 2Tобр = Tзад + Tбуф ;t3 = Tбуф + Tобр;t4 = Tзад;t6 = 2Tбуф + 2Tобр.Справа эскизно показано синфазное (а) сложение сигналов, и впротивофазе (б)В качестве буферов использовались плоскопараллельные образцы изплавленого кварца длиной примерно от 30 до 90 мм, на которые нанесеныультразвуковые преобразователи продольной и сдвиговой акустических волн.-- 21 --Измерения выполнялись в соответствующих частотных диапазонах порядка25÷100 МГц.

Исследуемый образец прижимается к кварцевому буферу черезжидкую эпоксидную смолу. Измеряется порядка 100-300 частотных резонансов взависимости от размеров образца.-- 22 --1.2.3 Физические свойства кристаллов KRE(WO4)2 , необходимые дляисследования упругих характеристикДля использования материала в качестве эффективного акустооптическогоэлементанеобходимоналичиеопределеннойсовокупностиоптических,акустических и фотоупругих характеристик, а также механической прочности итехнологичности обработки. Моноклинная сингония кристаллов (класс 2/m)обуславливает выраженную анизотропию свойств, в том числе оптическуюдвуосность.Исследованныемодифицированнымобразцыметодом(см.ЧохральскогоРис.

1.5)избылирастворавыращеныврасплаведивольфрамата калия в Институте неорганической химии СО РАН, гдетехнология их роста хорошо освоена [19]. Исследованные монокристаллическиеобразцы беспримесные, обладают высокой однородностью и отсутствиемоптических дефектов. Впервые объемные однородные кристаллы KLuW быливыращены в ИНХ СО РАН в конце 70-х годов [20] и стали первыми в семействематериалов. Некоторые из кристаллов этого семейства также синтезированы вряде других лабораторий [21, 22].

Кристаллы KREW обладают полиморфизмом,например, низкотемпературная модификация α-KLu(WO4)2 [23], устойчивая до1025оС,изоструктурнамоноклинномуα-KY(WO4)2(пр.гр.C2/c)[24].Элементарная ячейка KLuW имеет следующие параметры: a = 10.5915(16) Å, b =10.2446(16) Å, c = 7.5003(11) Å, β = 130.732(10)o, Z = 4. При более высокойтемпературекристаллыпретерпеваютреконструктивноеполиморфноепревращение, а при 1053оС – плавятся [25].

Наличие у KLuW полиморфногопереходапредопределяетспособвыращиваниякристаллов.Наиболееприемлемым является выращивание из высокотемпературного раствора врасплаве при температуре ниже 1025оС. Значительная величина растворимости врасплаве дивольфрамата калия (до 65 мол.%) [26] позволяет реализовать процессроста объемных кристаллов на вытягиваемую затравку [27] (Рис. 1.5).-- 23 --а(б)(в)Рис. 1.5. Фото кристаллических образцов семейства a-KRE(WO4)2: а, б –KGd(WO4)2; в – KLu(WO4)2-- 24 --Кристаллы не растворимы в воде и в органических растворителях ипрактически не растворимы в слабо концентрированных неорганических кислотах(HCl, H2SO4 и др.). Кристаллы хорошо обрабатываются (твердость ~ 5), аполировка не подвергается коррозии в течение длительного времени.Известные из литературы и определенные в ходе выполнения работыданные о некоторых физических характеристиках, важных для исследованиялазерных кристаллов в качестве АО материалов, сведены в Таблицу 1.1.Величины из литературных источников по исследуемым материалам различались,и в Таблице 1.1 приведены только те данные по KGW, которые былиэкспериментально подтверждены.Значения угла α между осями кристаллофизической системы координат X иZ c осями диэлектрической системы координат Nm и Ng при λ = 0.633 мкм былиизмерены стандартным поляриметрическим методом с погрешностью ∼0.5°.Литературные данные о величинах этого угла для каждого из материаловразличаются на 1-2 градуса относительно измеренных: αKYbW = 19° [28] тогда какαKLuW = 17.5° [29] и αKLuW = 18.5° [30].

Однако, такой точности достаточно дляприменения и использования этих данных в целях и задачах акустооптики.Необходимо отметить, что диэлектрические оси Nm и Ng в моноклинныхкристаллах симметрии 2/m испытываю дрейф, поворачиваясь в плоскости XZ,тогда как ось Np совпадает с осью Y и гранью b элементарной ячейки. Такимобразом, от длины волны λ зависят не только показатели преломления материала(см.

Таблицу 2.1), но и угол a между кристаллофизической и диэлектрическойсистемами координат. Поворот осей составляет не более 2° в видимом диапазонесвета, что проверялось на образце из KLuW с использованием трех лазеров сдлинами волн 0.454 мкм, 0.543 мкм и 0.633 мкм.-- 25 --Таблица 1.1. Угол поворота диэлектрических осей a и плотность ρ кристалловKRE(WO4)2KGd(WO4)2aKYb(WO4)2KLu(WO4)2a при 0.633 мкм 21.5° [30]18° ± 0.5° a17° ± 0.5° aρ, г/см37.62 ± 0.02 b7.686 [33]7.216 [31, 32]Экспериментально измерены стандартным поляриметрическим методом приλ = 0.633 мкмbПлотность KYbW была определена путем измерения размеров образца,имевшего форму прямоугольного параллелепипеда, и его взвешиванияДля вычисления коэффициентов упругости cαβ по величине скорости звуканеобходимо знать плотности материала.

Приведенные в Таблице 1.3 и Таблице1.4 значения упругих констант вычислены с использованием значений плотности,приведенных в Таблице 1.1. Для KGW значение плотности ρ = 7.216 г/см3 взято из[31], однако наблюдается значительный разброс этой величины, приведенной вразличных публикациях [34, 35], превышающий 2%. Данные из работы [33] оплотности KLuW не противоречили результатам экспериментальной оценки этойвеличины. В отличие от указанных двух материалов, не удалось определитьплотность для кристалла KYbW по литературным источникам, и был изготовленспециальный образец в виде параллелепипеда.

Плотность была определена путемизмерения размеров образца и его взвешивания, с точностью не хуже ± 0.02 г/см3.-- 26 --1.3 Измерение скоростей распространения упругих волн в кристаллахKRE(WO4)2Измерение скорости звуковых волн производилось фазо-импульснымметодомнаплоскопараллельныхориентированныхобразцахкристаллов.Точность ориентации образцов, на которых выполнялись измерения скоростейзвука, была не хуже 5′. Длины различных образцов лежали в диапазоне от 6.5 до25 мм. Исследования проводилась при комнатной температуре от 18 до 24градусов Цельсия.

При измерении скоростей упругих волн был использованчастотный диапазон 25 – 100 МГц, при этом для каждого направления частотаперестраивалась в ограниченном интервале, который составлял в разных случаяхот 15 до 40 МГц. На каждом образце регистрировалось от 90 до 300 частотныхрезонансов.Всего в исследованиях было задействовано по пять-шесть образцов каждогокристалла (кроме KLuW) различной ориентации. На образцах, ориентированныхвдоль кристаллофизических осей, или повернутых на угол 45º вокруг одной изкристаллофизичесих осей, были выполнены все необходимые измеренияскоростей звука.

Образец, ориентированный вдоль осей индикатрисы показателяпреломления, использовался для независимого измерения упругих свойствкристалла и сопоставления их с результатами, полученными на других образцах.Для определения полной матрицы коэффициентов упругости необходимоизмерить как минимум 13 значений скоростей ультразвука в 6 направлениях. Внастоящем исследовании на пяти образцах измерялись значения 27 различныхскоростей в 9 направлениях. Избыточность измерений служила для контроля иобеспечения правильности полученных результатов.В случае кристалла KLuW в связи с ограниченным количеством материала,имевшимся в наличии, удалось изготовить только три образца, и это не позволилоизмерить несколько (три) скорости.Результаты экспериментальных измерений представлены в Таблице 1.2.-- 27 --Таблица 1.2.

Скорости ультразвука в кристаллах KRE(WO4)2.Обозна-Направлениечениераспространения aПоляризацияСкорости ультразвука, ×103 м/сbKGd(WO4)2KYb(WO4)2KLu(WO4)2QL (X*)5.0625.0195.020S (Y)2.3401.9521.854V15QS (Z*)2.3062.3122.331V7L (Y)4.8784.8974.909S (X*)2.3371.8411.711V9S (Z*)3.1153.0613.070V1QL (Z*)4.3344.6604.688QS (X*)2.4022.4352.457V3S (Y)3.1072.9912.985V10QL4.3134.3074.325S (Y)2.6882.2012.105V11QS2.589V19QL4.9194.989S (Y)2.8122.811QS2.4512.688QL5.0075.0015.004QS_f2.5632.6822.706V18QS_s2.2142.1182.086V4QL4.9014.7104.679QS_f2.7782.6762.681QS_s2.4872.4912.486QL (Ng*)4.3944.6354.675S (Y)2.9772.7592.736QS (Nm*)2.0902.1662.178V13V14V8V2V12V21V20X [100] сY [010] ≡ NpZ [001][101][101� ]V16V17V5[011][110]V6Ng (Z′)2.750-- 28 --Nm (X′)aQL (Nm*)5.2345.225S (Y)2.5042.270QS (Ng*)2.0872.1765.2422.185Направление распространения в кристаллофизической системе координат X, Y иZ.bПредставлены моды ультразвуковых волн (L – продольные, QL – квазипродольные, S – сдвиговые, QS – квази-сдвиговые, QS_f – квази-сдвиговыебыстрые, QS_s – квази-сдвиговые медленные), и направления смещения этихволн (X, Y, Z, Nm, Ng).