ТЕКСТУРИРОВАННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ЛЕЙКОСАПФИР
ÓÄÊ 535.3
ÒÅÊÑÒÓÐÈÐÎÂÀÍÍÛÉ ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÉ ËÅÉÊÎÑÀÏÔÈÐ
© 2008 ã.
Â. Í. Âåòðîâ, êàíä. òåõí. íàóê; Á. À. Èãíàòåíêîâ
Íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé è òåõíîëîãè÷åñêèé èíñòèòóò îïòè÷åñêîãî ìàòåðèàëîâåäåíèÿ ÂÍÖ “ÃÎÈ èì.Ñ.È.Âàâèëîâà”, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã E-mail: antitov@peterlink.ru
Ðàññìîòðåíû îñîáåííîñòè íåîäíîðîäíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ëåéêîñàïôèðà. Ïðåäëîæåí ìåõàíèçì îáðàçîâàíèÿ åãî òåêñòóðû è êîíóñà îïòè÷åñêèõ îñåé. Ïðèâåäåíû ñðàâíèòåëüíûå õàðàêòåðèñòèêè òåêñòóðèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà è åãî ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîãî àíàëîãà.
Êîäû OCIS: 160.1190, 160.4760.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 06.06.2007.
Ðàçðàáîòêà ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîãî êëàññà ìàòåðèàëîâ – îïòè÷åñêîé êåðàìèêè ìàðêè ÊÎ è ïîëèêðèñòàëëè÷åñêèõ ñðåä ìàðêè ÏÎ – ïîêàçàëà âîçìîæíîñòè íîâûõ òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðèåìîâ ïðè èçãîòîâëåíèè ìàòåðèàëîâ ñ èçîòðîïíûìè ìåõàíè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè è âûñîêîé ïðîçðà÷íîñòüþ â ÈÊ äèàïàçîíå ñïåêòðà. Âîñòðåáîâàííûå áóðíûì ðàçâèòèåì òåïëîâèäåíèÿ è ëàçåðíîé òåõíèêè, îïòè÷åñêèå êåðàìèêè íà îñíîâå ôòîðèäà ìàãíèÿ è ñåëåíèäà öèíêà [1, 2] èíèöèèðîâàëè ðàçðàáîòêó ëþìèíåñöåíòíîé, ðàäèîëþìèíåñöåíòíîé, ýëåêòðîîïòè÷åñêîé, ôîòî- è êàòîäîõðîìíîé êåðàìèê, ïðåâîñõîäÿùèõ ïî íåêîòîðûì ýêñïëóàòàöèîííûì õàðàêòåðèñòèêàì ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèå àíàëîãè áëàãîäàðÿ îñîáåííîñòÿì òåêñòóðû (ñòðóêòóðû) ìàòåðèàëà è ðàñïðåäåëåíèÿ ëåãèðóþùåé äîáàâêè [3–4]. Ñðåäè áîëåå ïîçäíèõ èññëåäîâàíèé ìîæíî íàçâàòü ðàçðàáîòêó ëàçåðíîé êåðàìèêè íà îñíîâå èòòðèé-àëþìèíèåâîãî ãðàíàòà [5, 6]. Èìåííî ýòîò ïëàñò èññëåäîâàòåëüñêèõ ðàáîò ïîçâîëèë âûäåëèòü îñíîâíûå ìàòåðèàëîâåä÷åñêèå òåíäåíöèè ðàçâèòèÿ êðèñòàëëè÷åñêèõ îïòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ â ÷àñòè êîíñòðóêöèîííûõ: ñîâåðøåíñòâîâàíèå ñóùåñòâóþùèõ òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðèåìîâ è ðàçðàáîòêà îðèãèíàëüíûõ òåõíîëîãèé êðèñòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ ñ öåëüþ óëó÷øåíèÿ íåêîòîðûõ õàðàêòåðèñòèê èëè èõ ñî÷åòàíèÿ.
Ðàáîòû ïî èññëåäîâàíèþ ïðîöåññîâ âûñîêîòåìïåðàòóðíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ïîëè- è ìîíîêðèñòàëëîâ àëþìîìàãíèåâîé øïèíåëè è îêñèäà àëþìèíèÿ, íà÷àòûå â ñåðåäèíå 80-õ ãîäîâ, ïîçâîëèëè îöåíèòü ïðèãîäíîñòü òåõíîëîãèé, áàçèðóþùèõñÿ íà ýòèõ ïðîöåññàõ, äëÿ ïîëó÷åíèÿ íîâûõ ìàòåðèàëîâ èëè ñ íåîáû÷íûì ñî÷åòàíèåì ñâîéñòâ óæå ñóùåñòâóþùèõ [7, 8]. Îäíèì èç ðåçóëüòàòîâ ðàçðàáîòêè íîâûõ îïòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ íà îñíîâå òóãîïëàâêèõ îêñèäîâ ÿâèëîñü èñïîëüçîâàíèå ñëîæíîãî ïðîöåññà íåîäíîðîäíîé âûñîêîòåìïåðàòóðíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè àíèçîòðîïíûõ êðèñòàëëè÷åñêèõ ñðåä.
70
 ñåðåäèíå 80-õ ãîäîâ ïðîøëîãî ñòîëåòèÿ â êà÷åñòâå ïåðñïåêòèâíîé ñðåäû îäíîçíà÷íî ðàññìàòðèâàëèñü êðèñòàëëû ëåéêîñàïôèðà áëàãîäàðÿ óíèêàëüíûì òåõíè÷åñêèì õàðàêòåðèñòèêàì è äîñòóïíîñòè ìàòåðèàëà íåîáõîäèìûõ êà÷åñòâà è ðàçìåðîâ äëÿ ðåøåíèÿ ïðèêëàäíûõ çàäà÷. Áîëåå ïîçäíèå èññëåäîâàíèÿ ïî ýðîçèè è äåãðàäàöèè ÈÊ ìàòåðèàëîâ ïîêàçàëè óíèêàëüíóþ ñòîéêîñòü ëåéêîñàïôèðà, ÷òî, ïî ìíåíèþ íåêîòîðûõ àâòîðîâ, áûëî ñâÿçàíî ñ âûñîêèì çíà÷åíèåì ïðåäåëà ïðî÷íîñòè êðèñòàëëà. [9, 10].
Äëÿ ðåøåíèÿ ïîñòàâëåííîé çàäà÷è – ïîëó÷åíèÿ íîâîãî êðèñòàëëè÷åñêîãî îïòè÷åñêîãî ìàòåðèàëà – áûë âûáðàí òåõíîëîãè÷åñêèé ïðîöåññ, îñíîâàííûé íà ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ïðè öåíòðàëüíî-êîëüöåâîì èçãèáå.
 ðàáîòàõ [11, 12] äëÿ èññëåäîâàíèÿ âûñîêîòåìïåðàòóðíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ïðèâîäèòñÿ ñëåäóþùåå ïîëóýìïèðè÷åñêîå óðàâíåíèå, ïîçâîëÿþùåå èññëåäîâàòü ïðîöåññ íåîäíîðîäíîé äåôîðìàöèè:
σ = σ(v,T , P′, τ, y),
(1)
ãäå v – ñêîðîñòü äåôîðìàöèè, T – òåìïåðàòóðà, P′ – ãèäðîñòàòè÷åñêîå äàâëåíèå, τ – âðåìÿ, y – ñòðóêòóðíî-÷óâñòâèòåëüíûé ïàðàìåòð.
Ââèäó ìàëîñòè âëèÿíèÿ ãèäðîñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ è âðåìåíè äëÿ ñëó÷àÿ öåíòðàëüíî-êîëüöåâîãî èçãèáà óðàâíåíèå (1) óïðîñòèëè äî âûðàæåíèÿ
σ = σ(v,T , y).
(2)
Ñòðóêòóðíî-÷óâñòâèòåëüíûé ïàðàìåòð ïîääåð-
æèâàëè íà îäíîì óðîâíå çà ñ÷åò êà÷åñòâà èñõîäíîãî
êðèñòàëëà è äîñòàòî÷íîé èäåíòè÷íîñòè óñëîâèé
ïðîâåäåíèÿ ïðîöåññà äåôîðìàöèè.  ñëó÷àå ôîð-
ìîèçìåíåíèÿ äèñêà â ñôåðè÷åñêèé ñåãìåíò, ò. å. ïðè
íåîäíîðîäíîé äåôîðìàöèè, ñêîðîñòü äåôîðìàöèè
ðàçëè÷íà â ðàçíûõ ÷àñòÿõ îáðàçöà. Êàê ïîêàçàëè
îñòïüûþòûä,åôäàîíðíìûèéðîïâààðíàèìÿåhò·ð,
ìîæíî çàìåíèòü ò. å. èçìåíåíèåì
ñêîðîñòðåëû
ïðîãèáà äèñêà çà åäèíèöó âðåìåíè.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008
Èññëåäîâàíèÿ íåîäíîðîäíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè äëÿ âûÿâëåíèÿ ýëåìåíòàðíûõ ìåõàíèçìîâ, îáóñëàâëèâàþùèõ ôîðìîèçìåíåíèå äèñêà íà ðàçíûõ ñòàäèÿõ ïðîöåññà, ïðîâîäèëè ïî òðåì ñõåìàì íàãðóæåíèÿ:
1) ïðè ïîñòîÿííîé ñêîðîñòè äåôîðìèðîâàíèÿ, 2) ïðè ðàçíûõ ñêîðîñòÿõ íà ñòàäèè èçãèáà è ðàñòÿæåíèÿ, 3) ïðè ïîñòîÿííîé óãëîâîé ñêîðîñòè äåôîðìèðîâàíèÿ α. Âîçíèêàþùèå ïðè ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè â ìàòåðèàëå íàïðÿæåíèÿ (èçãèáàþùèå, ñæèìàþùèå, ðàäèàëüíûå è òàíãåíöèàëüíûå ðàñòÿãèâàþùèå) îïðåäåëÿëè ñ ó÷åòîì èçìåíåíèÿ ïëîùàäè ïÿòíà êîíòàêòà è êîíôèãóðàöèè ýëåìåíòîâ ïðè ôîðìîèçìåíåíèè. Äåôîðìèðîâàíèå ïðîâîäèëè ïðè ñêîðîñòÿõ, çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàþùèõ ñêîðîñòü ïîëçó÷åñòè. Óñëîâèÿ äåôîðìèðîâàíèÿ ïîäáèðàëè òàê, ÷òîáû âîçíèêàþùèå â ìàòåðèàëå íàïðÿæåíèÿ ïðè äàííîé òåìïåðàòóðå áûëè âûøå ïðåäåëà òåêó÷åñòè è íèæå ïðåäåëà ïðî÷íîñòè. Èññëåäîâàíèÿ ïî ïðèâåäåííûì âûøå ñõåìàì ïîêàçàëè íåîáõîäèìîñòü ñîçäàíèÿ êðèòåðèÿ
Igh = hδ/P,
(3)
ãäå h – ñòðåëà ïðîãèáà, δ – òîëùèíà îáðàçöà, Ð – óñèëèå äåôîðìèðîâàíèÿ.
Íà ðèñ. 1 ïðèâåäåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû çàâèñèìîñòè êðèòåðèÿ Igh îò h, îïðåäåëÿþùèå îñíîâíûå òåõíîëîãè÷åñêèå ïàðàìåòðû ïðè äåôîðìàöèè äèñêîâ äèàìåòðîì 45–120 ìì, ïðè îòíîøåíèè äèàìåòðà ê òîëùèíå îáðàçöà, ðàâíîì 1/(0,08–0,15). Çàäàâàåìîå êðèòåðèåì Igh ñîîòíîøåíèå ìåæäó óñèëèåì äåôîðìèðîâàíèÿ è ñòðåëîé ïðîãèáà ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü è ïîääåðæèâàòü ñêîðîñòü äåôîðìèðîâàíèÿ, à ñëåäîâàòåëüíî, è íàïðÿæåíèÿ, îïòèìàëüíûå äëÿ äàííîé òîëùèíû îáðàçöà è åãî óïðóãîïëàñòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê, ñâÿçàííûõ êàê ñ òåìïåðàòóðîé îáðàçöà ïðè äåôîðìèðîâàíèè, òàê è ñ íåñîâåðøåíñòâàìè ñòðóêòóðû ðåàëüíîãî êðèñòàëëà.
Îäíèì èç âàæíûõ ðåçóëüòàòîâ àíàëèçà ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ àâòîðû ñ÷èòàþò ïåðåõîä îò ñòðåëû ïðîãèáà h (êàê ñòåïåíè äåôîðìèðîâàíèÿ) ê óãëó α, ñâÿçàííîìó ñ èçìåíåíèåì ðàäèóñà ïÿòíà êîíòàêòà; α – óãîë ìåæäó íàïðàâëåíèåì ïðèëîæåíèÿ âíåøíåãî óñèëèÿ è ïîâåðõíîñòüþ êîíè÷åñêîé ÷àñòè îáðàçöà âûøå êðàÿ ïÿòíà êîíòàêòà, çàâèñèìîñòü êîòîðîãî îò ñòðåëû ïðîãèáà îïðåäåëÿåòñÿ óðàâíåíèåì
α = arctg −(x + R − h) , R2 − (x + R − h)2
(4)
ãäå x – ãëóáèíà ëóíêè êîíòàêòà, R – ðàäèóñ ïóàíñîíà.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008
Igh×10–4, ñì2/êã 3
2
1 4 8 12 16 h, ìì
Ðèñ. 1. Çíà÷åíèÿ êðèòåðèÿ Igh äëÿ ïðîâåäåíèÿ ïðîöåññà íåîäíîðîäíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè Zäèñêîâ ëåéêîñàïôèðà.
80 Igα
40 0 90 100 110 120 130 α, ãðàä
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòü ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ êðèòåðèÿ Ig äëÿ íåîäíîðîäíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ëåαéêîñàïôèðà.
Ïàðàìåòð α, èíâàðèàíòíûé ïî îòíîøåíèþ ê ãåîìåòðè÷åñêèì ïàðàìåòðàì îáðàçöà è ïðåññ-îñíàñòêè (ìàòðèöû è ïóàíñîíà), òàêæå ÿâëÿåòñÿ óíèâåðñàëüíûì ïðè ñîïîñòàâëåíèè ðåçóëüòàòîâ âûÿâëåíèÿ ýëåìåíòàðíûõ ìåõàíèçìîâ íåîäíîðîäíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè. Íà ðèñ. 2 ïðèâåäåíà ïîëó÷åííàÿ ïî ðåçóëüòàòàì èññëåäîâàíèÿ çàâèñèìîñòü ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ êðèòåðèÿ Igα îò α, ãäå
Igα = αδ/P.
(5)
Çàäàâàåìîå êðèòåðèåì Igα ñîîòíîøåíèå ìåæäó óñèëèåì äåôîðìèðîâàíèÿ è ñòðåëîé ïðîãèáà ïîçâîëÿåò îáåñïå÷èòü îïòèìàëüíóþ ñêîðîñòü äåôîðìèðîâàíèÿ. Ïðè çíà÷åíèÿõ êðèòåðèÿ áîëüøå âåðõíåé ãðàíèöû äîïóñòèìûõ çíà÷åíèé â ìàòåðèàëå âîçíèêàþò íàïðÿæåíèÿ, ïðåâîñõîäÿùèå ïðåäåë ïðî÷íîñòè ìàòåðèàëà; ïðè çíà÷åíèÿõ ìåíüøå íèæíåé ãðàíèöû ïðîèñõîäèò õðóïêîå ðàçðóøåíèå îáðàçöà. Ýòî ñâÿçàíî ñî ñíèæåíèåì ñêàëûâàþùèõ íàïðÿæåíèé â îäíîé èç ñèñòåì ñêîëüæåíèÿ â ëåéêîñàïôèðå (ñêîðåå âñåãî ïî ðîìáîýäðó) äî çíà÷åíèé íèæå ïðåäåëüíûõ äëÿ äàííîé ñèñòåìû ñêîëüæåíèÿ.
Èç àíàëèçà çàâèñèìîñòè ôàêòîðà Øìèäà îò óãëà α (ðèñ. 3) äëÿ ñèñòåì ñêîëüæåíèÿ, õàðàêòåðíûõ äëÿ ëåéêîñàïôèðà ïðè òåìïåðàòóðå âûøå 1600 °Ñ, ìîæíî çàêëþ÷èòü, ÷òî ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ óãëà α âîç-
71
Ψ
0,8
1 2
0,4 3
0 90 110 130 150 170 α, ãðàä
Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòè ôàêòîðà Øìèäòà äëÿ ïëîñêîñòåé ñêîëüæåíèÿ ëåéêîñàïôèðà îò óãëà α ïðè öåíòðàëüíî-êîëüöåâîì èçãèáå. 1 – ïî ðîáìîýäðè÷åñêîé ñèñòåìå, 2 – ïî ïðèçìàòè÷åñêîé ñèñòåìå, 3 – áàçèñíàÿ ñèñòåìà.
ðàñòàþò íàïðÿæåíèÿ, îáóñëàâëèâàþùèå äåôîðìàöèþ (ñêîëüæåíèå) ïî ðîìáîýäðè÷åñêîé è ïðèçìàòè÷åñêîé ñèñòåìàì ñêîëüæåíèÿ.  áàçèñíîé æå ñèñòåìå ñêîëüæåíèÿ äåôîðìàöèÿ îáëåã÷àåòñÿ äî çíà÷åíèé óãëà α ≈ 135°, ïðè äàëüíåéøåì óâåëè÷åíèè óãëà ïðîèñõîäèò ñíèæåíèå íàïðÿæåíèé, ÷òî çàòðóäíÿåò äåôîðìàöèþ. Äàííûå ðåçóëüòàòû ïîêàçûâàþò, ÷òî ïëàñòè÷åñêàÿ äåôîðìàöèÿ ëåéêîñàïôèðà ÿâëÿåòñÿ êðèñòàëëîãðàôè÷åñêè ëèìèòèðóåìûì ïðîöåññîì â òå÷åíèå âñåãî ïðîöåññà ôîðìîèçìåíåíèÿ, â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî â ïëîñêîñòè äèñêà îáðàçóåòñÿ ïíèðàÿâ, èïëðüîíäàóÿöèøðåóñåòìèûóõãîñëèüñíòàåÿìçîâéåç{ä1à0–1ï1î}ë〈î1ñ1–2ñê0î〉.ëüÁæèñå-ñåêòðèñàìè âõîäÿùèõ è èñõîäÿùèõ óãëîâ ÿâëÿþòñÿ ñîîòâåòñòâåííî Õ- è Y-íàïðàâëåíèÿ, ëåæàùèå â ïëîñêîñòÿõ êðèñòàëëîãðàôè÷åñêîãî áàçèñà [14]. Êðèñòàëëè÷åñêàÿ ðåøåòêà ëåéêîñàïôèðà ïðè äåôîðìàöèè òåðÿåò ïàðàëëåëüíîñòü òàêèì îáðàçîì, ÷òî ãëàâíûå îïòè÷åñêèå îñè Z (íàïðàâëåíèå 〈0001〉) îáðàçóþò ïó÷îê îñåé, íàïðàâëåííûõ ïî ðàäèóñàì îáðàçöà, ò. å. îïòè÷åñêàÿ îñü êðèñòàëëà îñòàåòñÿ ïåðïåíäèêóëÿðíîé ïîâåðõíîñòè êðèñòàëëà â ëþáîé åãî òî÷êå. Ïëàñòè÷åñêè äåôîðìèðîâàííûé ìîíîêðèñòàëë çàíèìàåò ïðîìåæóòî÷íîå, óïðàâëÿåìîå ïðîöåññîì ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ïîëîæåíèå ìåæäó ìîíî- è ïîëèêðèñòàëëè÷åñêèì ñîñòîÿíèÿìè âåùåñòâà, ó÷èòûâàÿ, ÷òî ìû èìååì ïðîñòðàíñòâåííî îðèåíòèðîâàííóþ ïî ðàäèóñó òåêñòóðó ôðàãìåíòîâ ñòðóêòóðû. Äàííàÿ òåêñòóðà ñîñòîèò èç ôðàãìåíòîâ ñ íåÿâíî âûðàæåííûìè ãðàíèöàìè è ìàëûìè óãëàìè èõ âçàèìíîãî ðàçâîðîòà, ñëåäîâàòåëüíî, ðå÷ü èäåò î òåêñòóðèðîâàííîì ìîíîêðèñòàëëå.
Ïîëó÷åíèå òåêñòóðèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà ÿâëÿåòñÿ ðåçóëüòàòîì äåôîðìàöèè èçãèáà, îáóñëîâëåííîãî ñóïåðïîçèöèåé ñêîëüæåíèÿ ïî ðîìáîýäðè÷åñêîé è áàçèñíîé ñèñòåìàì íà ïåðâîì ýòàïå. Äàëåå äîáàâëÿåòñÿ ïðèçìàòè÷åñêàÿ ñèñòåìà ñêîëüæåíèÿ. Íà âòîðîì ýòàïå äåôîðìàöèè (ðàñòÿæåíèè) ñêîëüæåíèå ïî áàçèñó çàòðóäíÿåòñÿ.
 ðàáîòàõ [13, 14] è íà ðèñ. 4, 5 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ïîëÿðèçàöèîííî-îïòè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé
72
òåêñòóðèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà âî âçàèìíî ïåðïåíäèêóëÿðíûõ íàïðàâëåíèÿõ, ïîêàçûâàþùèå ðàäèàëüíóþ íàïðàâëåííîñòü îïòè÷åñêèõ îñåé êðèñòàëëà â äåòàëè è èçìåíåíèå ãåîìåòðèè ðàñïîëîæåíèÿ îïòè÷åñêîé èíäèêàòðèñû ïî ñðàâíåíèþ è èñõîäíûì äèñêîì êðèñòàëëà.
Òàêèì îáðàçîì, ïëàñòè÷åñêóþ äåôîðìàöèþ ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ñïîñîá îáðàçîâàíèÿ êîíóñà îïòè÷åñêèõ îñåé ñ óãëîì â âåðøèíå â îäíîîñíîì êðèñòàëëå. Î÷åâèäíî, ÷òî äëÿ ñîâåðøåííîãî ìîíîêðèñòàëëà ýòîò óãîë ðàâåí íóëþ è ïðèîáðåòàåò êîíå÷íîå çíà÷åíèå ïðè ïëàñòè÷åñêîì èçãèáå Z-ñðåçà îäíîîñíîãî êðèñòàëëà.  êà÷åñòâå ôàêòîðîâ, âëèÿþùèõ íà èçìåíåíèå îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ, ìîæíî èñïîëüçîâàòü ðàäèóñ ïóàíñîíà, ñòåïåíü äåôîðìàöèè è êîíôèãóðàöèþ ðàáî÷åé ïîâåðõíîñòè ìàòðèöû. Íà îáðàçöàõ äèàìåòðîì 80 ìì èç òåêñòóðèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà íàâåäåííîå äâóëó÷åïðåëîìëåíèå ñîñòàâëÿëî ìåíåå 10–5.
Ðèñ. 4. Îòêëîíåíèå êîíîñêîïè÷åñêîãî êðåñòà â ìèêðîêîíîñêîïàõ íà ïîâåðõíîñòè òåêñòóðèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà.
Ðèñ. 5. Õàðàêòåð ïîãàñàíèÿ â ñêðåùåííûõ ïîëÿðèçàòîðàõ êðèâîé áàëêè-âûðåçêè èç òåêñòóðèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà: 1, 2, 3 – ïîëîæåíèÿ ïîãàñàíèÿ ýëåìåíòàðíîãî îïòè÷åñêè îäíîîñíîãî “ìîíîêðèñòàëëà”.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008
Õàðàêòåðèñòèêè òåêñòóðèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà
Õàðàêòåðèñòèêà
Òåêñòóðèðîâàííûé ëåéêîñàïôèð
Ïëîòíîñòü, ã/ñì3 Ñòðóêòóðà, ñèíãîíèÿ Îáëàñòü ïðîçðà÷íîñòè, ìêì Èíäèêàòðèñà Ãåîìåòðè÷åñêîå ðàñïîëîæåíèå îïòè÷åñêèõ îñåé êðèñòàëëà. Íàâåäåííîå äâóëó÷åïðåëîìëåíèå
3,98 Òåêñòóðèðîâàííûé ëåéêîñàïôèð
0,2–6,0 Ýëëèïñ äëÿ êàæäîé òî÷êè
Êîíóñ ñ ôîêóñîì Ìåíåå 10–5
Ëåéêîñàïôèð
3,98 Ìîíîêðèñòàëëè÷åñêàÿ, òðèãîíàëüíàÿ
0,2–6,0 Ýëëèïñ, nî < ne Ïàðàëëåëüíî 0 (íà óðîâíå ÷óâñòâèòåëüíîñòè ìåòîäèê)
 òàáëèöå ïðèâåäåíû õàðàêòåðèñòèêè òåêñòóðèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà è åãî ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîãî àíàëîãà, ïîêàçûâàþùèå ïðèíöèïèàëüíîå îòëè÷èå ïåðâîãî â ÷àñòè îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ. Ýòà îñîáåííîñòü ïîçâîëÿåò ïðåäëîæèòü òåêñòóðèðîâàííûé ëåéêîñàïôèð êàê íîâûé êðèñòàëëè÷åñêèé îïòè÷åñêèé ìàòåðèàë, èñïîëüçîâàíèå êîòîðîãî â ëèíçîâîé îïòèêå ñíèçèò äâóëó÷åïðåëîìëåíèå â ñîáèðàòåëüíûõ è ðàññåèâàþùèõ ëèíçàõ è ïîçâîëèò ïîëó÷èòü èçîòðîïíûå ëèíçû äëÿ ïàðàëëåëüíîãî ïó÷êà ëó÷åé [7, 15–17].
Òàêèì îáðàçîì, ìîæíî ñäåëàòü ñëåäóþùèå âûâîäû. Äëÿ èññëåäîâàíèÿ íåîäíîðîäíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè îäíîîñíûõ êðèñòàëëîâ ïðè öåíòðàëüíî-êîëüöåâîì èçãèáå íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàòü êðèòåðèàëüíûé ïîäõîä, ïðè÷åì êðèòåðèé äîëæåí ó÷èòûâàòü ãåîìåòðè÷åñêèå ïàðàìåòðû îáðàçöà, ïðèêëàäûâàåìîå óñèëèå è ôàêòîð, ó÷èòûâàþùèé ôîðìîèçìåíåíèå îáðàçöà (h èëè α). Âûÿâëåííûå îñîáåííîñòè ìåõàíèçìà íåîäíîðîäíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ëåéêîñàïôèðà, çàêëþ÷àþùèåñÿ â ñóïåðïîçèöèè ðàçëè÷íûõ ñèñòåì ñêîëüæåíèÿ íà ñòàäèè èçãèáà è ðàñòÿæåíèÿ, îáóñëàâëèâàþò ïîëó÷åíèå òåêñòóðèðîâàííîãî êðèñòàëëà. Ïðîèçîøåäøèå èçìåíåíèÿ îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ, ñâÿçàííûå ñ îáðàçîâàíèåì êîíóñà îïòè÷åñêèõ îñåé êðèñòàëëà, ïîçâîëÿþò ïî-íîâîìó âçãëÿíóòü íà îáëàñòü ïðèìåíåíèÿ îïòè÷åñêè îäíîîñíûõ êðèñòàëëîâ â îïòèêå.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Âîëûíåö Ô.Ê. Èòîãè è ïåðñïåêòèâû ðàçâèòèÿ îïòè÷åñêîé êåðàìèêè // ÎÌÏ. 1978. ¹ 11. Ñ. 39–41.
12. Âîëûíåö Ô.Ê., Óäàëîâà Ë.Â.. Àðàíîâñêèé Ë.È., Óñà÷åâ Â.Ï. Èññëåäîâàíèå êèíåòèêè óïëîòíåíèÿ îêèñè ìàãíèÿ ñ äîáàâêàìè ôòîðèäà ëèòèÿ ïðè ðàçëè÷íûõ òåìïåðàòóðàõ ãîðÿ÷åãî ïðåññîâàíèÿ // Èçâ. ÀÍ ÑÑÑÐ. Íåîðãàíè÷åñêèå ìàòåðèàëû.1973. Ò. VIII. ¹ 2. Ñ. 285–289.
13. Ïåòðîâñêèé Ã.Ò., Ìèðîíîâ È.À., Äåìèäåíêî Â.À., Áîðîçäèí Ñ.Í. Êðèñòàëëè÷åñêèå îïòè÷åñêèå ñðåäû // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 1992. ¹ 12. Ñ. 24–33.
14. Ïåòðîâñêèé Ã.Ò., Áîðîçäèí Ñ.Í., Äåìèäåíêî Â.À., Ìàëüöåâ Ì.Â., Ìèðîíîâ È.À., Ìóñàòîâ Ì.È., Ïèñüìåííûé Â.À., Øàòèëîâ À.Â. Îïòè÷åñêèå êðèñòàëëû è ïîëèêðèñòàëëû // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 1993. ¹ 11. Ñ. 77–93.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008
15. Shoji J., Kurimura S., Sato V. Optical properties and laser characteristics of highly Nd-doped Y3AL3O12 ceramics // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 77. ¹ 7. P. 939–941.
16. Lu J., Probhu P.,Yu J. Highly efficient 2% Nd: yttrium aluminum garnet ceramic laser // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 77. ¹ 23. P. 3797–3809.
17. Âåòðîâ Â.Í., Ðûæèêîâ Ý.Í., Èãíàòåíêîâ Á.À., Øåíãåëèÿ Å.À. Ñïîñîá ïîëó÷åíèÿ çàãîòîâêè ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîãî îïòè÷åñêîãî ìàòåðèàëà àëþìîìàãíèåâîé øïèíåëè // À. ñ. ÑÑÑÐ ¹ 1412237.
18. Øêóëüêîâ À.Â., Ïåòðîâ Þ.Á., Ïå÷åíêîâ À.Þ., Èãíàòåíêîâ Á.À., Âåòðîâ Â.Í. Ïîëó÷åíèå âûñîêî÷èñòûõ êðèñòàëëè÷åñêèõ îêñèäíûõ ìàòåðèàëîâ èíäóêöèîííîé ïëàâêîé â õîëîäíîì òèãëå // Òåç. äîêë. VIII Âñåñîþçí. êîíô. ïî ìåòîäàì ïîëó÷åíèÿ è àíàëèçà âûñîêî÷èñòûõ âåùåñòâ. Ãîðüêèé, 30 ìàÿ–2 èþíÿ 1988. C. 72.
19. Cassaing J.J., De′om A.A., Bouveret A.M., Balageas D.L. IR materials rain damage prediction and test results // Proc. SPIE. 1989. V. 1112. P. 295–305.
10. Gentilman. R., Maguire E., Kohane T., Valentine D.B. Comparision of Large ALON and Sapphire Windows // Proc. SPIE. 1989. V. 1112. P. 31–39.
11. Ïóàðüå Æ.Ï. Âûñîêîòåìïåðàòóðíàÿ ïëàñòè÷íîñòü êðèñòàëëè÷åñêèõ òåë. Ì.: Ìåòàëëóðãèÿ, 1982. 272 ñ.
12. Ïóàðüå Æ.Ï. Ïîëçó÷åñòü êðèñòàëëîâ. Ì.: Ìèð, 1988. 277 ñ.
13. Ñèáèêèíà Í.Ë., Àôàíàñüåâ È.È., Áåëåâöåâà Ë.È., Âåòðîâ Â.Í., Èãíàòåíêîâ Á.À., Êèñåëåâ À.Ï. Îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà ïëàñòè÷åñêè äåôîðìèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà // ÎÌÏ. 1992. ¹ 4. Ñ. 53–55.
14. Àôàíàñüåâ È.È., Àíäðèàíîâà Ë.Ê., Âåòðîâ Â.Í., Èãíàòåíêîâ Á.À. Èçìåíåíèå îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ ëåéêîñàïôèðà ïîñëå âûñîêîòåìïåðàòóðíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè // Ôèçèêà òâåðäîãî òåëà. 1991. Ò. 33. ¹ 4. Ñ. 1173–1175.
15. Âåòðîâ Â.Í., Èãíàòåíêîâ Á.À., Ïèñüìåííûé Â.À. Ðûæèêîâ Ý.Í., Ïåòðîâñêèé Ã.Ò., Äóêåëüñêèé Ê.Â. Ñïîñîá ïîëó÷åíèÿ ëèíç // Ïàòåíò Ðîññèè. ¹ 2285757. 2006.
16. Âåòðîâ Â.Í., Èãíàòåíêîâ Á.À., Ïèñüìåííûé Â.À., Ìèðîíîâ È.À. Ñïîñîá ïîëó÷åíèÿ îïòè÷åñêèõ ëèíç èç ìîíîêðèñòàëëîâ // Çàÿâêà íà èçîáðåòåíèå ¹ 2005109583/ 28 îò 04.04.2005.
17. Âåòðîâ Â.Í., Èãíàòåíêîâ Á.À., Ïèñüìåííûé Â.À., Ìèðîíîâ È.À. Ñïîñîá ïîëó÷åíèÿ îïòè÷åñêèõ ëèíç ñ ìèíèìàëüíûì äâóëó÷åïðåëîìëåíèåì // Çàÿâêà íà èçîáðåòåíèå ¹ 2005109584/28 îò 04.04.2005.
73
ÒÅÊÑÒÓÐÈÐÎÂÀÍÍÛÉ ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÉ ËÅÉÊÎÑÀÏÔÈÐ
© 2008 ã.
Â. Í. Âåòðîâ, êàíä. òåõí. íàóê; Á. À. Èãíàòåíêîâ
Íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé è òåõíîëîãè÷åñêèé èíñòèòóò îïòè÷åñêîãî ìàòåðèàëîâåäåíèÿ ÂÍÖ “ÃÎÈ èì.Ñ.È.Âàâèëîâà”, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã E-mail: antitov@peterlink.ru
Ðàññìîòðåíû îñîáåííîñòè íåîäíîðîäíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ëåéêîñàïôèðà. Ïðåäëîæåí ìåõàíèçì îáðàçîâàíèÿ åãî òåêñòóðû è êîíóñà îïòè÷åñêèõ îñåé. Ïðèâåäåíû ñðàâíèòåëüíûå õàðàêòåðèñòèêè òåêñòóðèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà è åãî ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîãî àíàëîãà.
Êîäû OCIS: 160.1190, 160.4760.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 06.06.2007.
Ðàçðàáîòêà ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîãî êëàññà ìàòåðèàëîâ – îïòè÷åñêîé êåðàìèêè ìàðêè ÊÎ è ïîëèêðèñòàëëè÷åñêèõ ñðåä ìàðêè ÏÎ – ïîêàçàëà âîçìîæíîñòè íîâûõ òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðèåìîâ ïðè èçãîòîâëåíèè ìàòåðèàëîâ ñ èçîòðîïíûìè ìåõàíè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè è âûñîêîé ïðîçðà÷íîñòüþ â ÈÊ äèàïàçîíå ñïåêòðà. Âîñòðåáîâàííûå áóðíûì ðàçâèòèåì òåïëîâèäåíèÿ è ëàçåðíîé òåõíèêè, îïòè÷åñêèå êåðàìèêè íà îñíîâå ôòîðèäà ìàãíèÿ è ñåëåíèäà öèíêà [1, 2] èíèöèèðîâàëè ðàçðàáîòêó ëþìèíåñöåíòíîé, ðàäèîëþìèíåñöåíòíîé, ýëåêòðîîïòè÷åñêîé, ôîòî- è êàòîäîõðîìíîé êåðàìèê, ïðåâîñõîäÿùèõ ïî íåêîòîðûì ýêñïëóàòàöèîííûì õàðàêòåðèñòèêàì ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèå àíàëîãè áëàãîäàðÿ îñîáåííîñòÿì òåêñòóðû (ñòðóêòóðû) ìàòåðèàëà è ðàñïðåäåëåíèÿ ëåãèðóþùåé äîáàâêè [3–4]. Ñðåäè áîëåå ïîçäíèõ èññëåäîâàíèé ìîæíî íàçâàòü ðàçðàáîòêó ëàçåðíîé êåðàìèêè íà îñíîâå èòòðèé-àëþìèíèåâîãî ãðàíàòà [5, 6]. Èìåííî ýòîò ïëàñò èññëåäîâàòåëüñêèõ ðàáîò ïîçâîëèë âûäåëèòü îñíîâíûå ìàòåðèàëîâåä÷åñêèå òåíäåíöèè ðàçâèòèÿ êðèñòàëëè÷åñêèõ îïòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ â ÷àñòè êîíñòðóêöèîííûõ: ñîâåðøåíñòâîâàíèå ñóùåñòâóþùèõ òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðèåìîâ è ðàçðàáîòêà îðèãèíàëüíûõ òåõíîëîãèé êðèñòàëëè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ ñ öåëüþ óëó÷øåíèÿ íåêîòîðûõ õàðàêòåðèñòèê èëè èõ ñî÷åòàíèÿ.
Ðàáîòû ïî èññëåäîâàíèþ ïðîöåññîâ âûñîêîòåìïåðàòóðíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ïîëè- è ìîíîêðèñòàëëîâ àëþìîìàãíèåâîé øïèíåëè è îêñèäà àëþìèíèÿ, íà÷àòûå â ñåðåäèíå 80-õ ãîäîâ, ïîçâîëèëè îöåíèòü ïðèãîäíîñòü òåõíîëîãèé, áàçèðóþùèõñÿ íà ýòèõ ïðîöåññàõ, äëÿ ïîëó÷åíèÿ íîâûõ ìàòåðèàëîâ èëè ñ íåîáû÷íûì ñî÷åòàíèåì ñâîéñòâ óæå ñóùåñòâóþùèõ [7, 8]. Îäíèì èç ðåçóëüòàòîâ ðàçðàáîòêè íîâûõ îïòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ íà îñíîâå òóãîïëàâêèõ îêñèäîâ ÿâèëîñü èñïîëüçîâàíèå ñëîæíîãî ïðîöåññà íåîäíîðîäíîé âûñîêîòåìïåðàòóðíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè àíèçîòðîïíûõ êðèñòàëëè÷åñêèõ ñðåä.
70
 ñåðåäèíå 80-õ ãîäîâ ïðîøëîãî ñòîëåòèÿ â êà÷åñòâå ïåðñïåêòèâíîé ñðåäû îäíîçíà÷íî ðàññìàòðèâàëèñü êðèñòàëëû ëåéêîñàïôèðà áëàãîäàðÿ óíèêàëüíûì òåõíè÷åñêèì õàðàêòåðèñòèêàì è äîñòóïíîñòè ìàòåðèàëà íåîáõîäèìûõ êà÷åñòâà è ðàçìåðîâ äëÿ ðåøåíèÿ ïðèêëàäíûõ çàäà÷. Áîëåå ïîçäíèå èññëåäîâàíèÿ ïî ýðîçèè è äåãðàäàöèè ÈÊ ìàòåðèàëîâ ïîêàçàëè óíèêàëüíóþ ñòîéêîñòü ëåéêîñàïôèðà, ÷òî, ïî ìíåíèþ íåêîòîðûõ àâòîðîâ, áûëî ñâÿçàíî ñ âûñîêèì çíà÷åíèåì ïðåäåëà ïðî÷íîñòè êðèñòàëëà. [9, 10].
Äëÿ ðåøåíèÿ ïîñòàâëåííîé çàäà÷è – ïîëó÷åíèÿ íîâîãî êðèñòàëëè÷åñêîãî îïòè÷åñêîãî ìàòåðèàëà – áûë âûáðàí òåõíîëîãè÷åñêèé ïðîöåññ, îñíîâàííûé íà ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ïðè öåíòðàëüíî-êîëüöåâîì èçãèáå.
 ðàáîòàõ [11, 12] äëÿ èññëåäîâàíèÿ âûñîêîòåìïåðàòóðíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ïðèâîäèòñÿ ñëåäóþùåå ïîëóýìïèðè÷åñêîå óðàâíåíèå, ïîçâîëÿþùåå èññëåäîâàòü ïðîöåññ íåîäíîðîäíîé äåôîðìàöèè:
σ = σ(v,T , P′, τ, y),
(1)
ãäå v – ñêîðîñòü äåôîðìàöèè, T – òåìïåðàòóðà, P′ – ãèäðîñòàòè÷åñêîå äàâëåíèå, τ – âðåìÿ, y – ñòðóêòóðíî-÷óâñòâèòåëüíûé ïàðàìåòð.
Ââèäó ìàëîñòè âëèÿíèÿ ãèäðîñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ è âðåìåíè äëÿ ñëó÷àÿ öåíòðàëüíî-êîëüöåâîãî èçãèáà óðàâíåíèå (1) óïðîñòèëè äî âûðàæåíèÿ
σ = σ(v,T , y).
(2)
Ñòðóêòóðíî-÷óâñòâèòåëüíûé ïàðàìåòð ïîääåð-
æèâàëè íà îäíîì óðîâíå çà ñ÷åò êà÷åñòâà èñõîäíîãî
êðèñòàëëà è äîñòàòî÷íîé èäåíòè÷íîñòè óñëîâèé
ïðîâåäåíèÿ ïðîöåññà äåôîðìàöèè.  ñëó÷àå ôîð-
ìîèçìåíåíèÿ äèñêà â ñôåðè÷åñêèé ñåãìåíò, ò. å. ïðè
íåîäíîðîäíîé äåôîðìàöèè, ñêîðîñòü äåôîðìàöèè
ðàçëè÷íà â ðàçíûõ ÷àñòÿõ îáðàçöà. Êàê ïîêàçàëè
îñòïüûþòûä,åôäàîíðíìûèéðîïâààðíàèìÿåhò·ð,
ìîæíî çàìåíèòü ò. å. èçìåíåíèåì
ñêîðîñòðåëû
ïðîãèáà äèñêà çà åäèíèöó âðåìåíè.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008
Èññëåäîâàíèÿ íåîäíîðîäíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè äëÿ âûÿâëåíèÿ ýëåìåíòàðíûõ ìåõàíèçìîâ, îáóñëàâëèâàþùèõ ôîðìîèçìåíåíèå äèñêà íà ðàçíûõ ñòàäèÿõ ïðîöåññà, ïðîâîäèëè ïî òðåì ñõåìàì íàãðóæåíèÿ:
1) ïðè ïîñòîÿííîé ñêîðîñòè äåôîðìèðîâàíèÿ, 2) ïðè ðàçíûõ ñêîðîñòÿõ íà ñòàäèè èçãèáà è ðàñòÿæåíèÿ, 3) ïðè ïîñòîÿííîé óãëîâîé ñêîðîñòè äåôîðìèðîâàíèÿ α. Âîçíèêàþùèå ïðè ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè â ìàòåðèàëå íàïðÿæåíèÿ (èçãèáàþùèå, ñæèìàþùèå, ðàäèàëüíûå è òàíãåíöèàëüíûå ðàñòÿãèâàþùèå) îïðåäåëÿëè ñ ó÷åòîì èçìåíåíèÿ ïëîùàäè ïÿòíà êîíòàêòà è êîíôèãóðàöèè ýëåìåíòîâ ïðè ôîðìîèçìåíåíèè. Äåôîðìèðîâàíèå ïðîâîäèëè ïðè ñêîðîñòÿõ, çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàþùèõ ñêîðîñòü ïîëçó÷åñòè. Óñëîâèÿ äåôîðìèðîâàíèÿ ïîäáèðàëè òàê, ÷òîáû âîçíèêàþùèå â ìàòåðèàëå íàïðÿæåíèÿ ïðè äàííîé òåìïåðàòóðå áûëè âûøå ïðåäåëà òåêó÷åñòè è íèæå ïðåäåëà ïðî÷íîñòè. Èññëåäîâàíèÿ ïî ïðèâåäåííûì âûøå ñõåìàì ïîêàçàëè íåîáõîäèìîñòü ñîçäàíèÿ êðèòåðèÿ
Igh = hδ/P,
(3)
ãäå h – ñòðåëà ïðîãèáà, δ – òîëùèíà îáðàçöà, Ð – óñèëèå äåôîðìèðîâàíèÿ.
Íà ðèñ. 1 ïðèâåäåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû çàâèñèìîñòè êðèòåðèÿ Igh îò h, îïðåäåëÿþùèå îñíîâíûå òåõíîëîãè÷åñêèå ïàðàìåòðû ïðè äåôîðìàöèè äèñêîâ äèàìåòðîì 45–120 ìì, ïðè îòíîøåíèè äèàìåòðà ê òîëùèíå îáðàçöà, ðàâíîì 1/(0,08–0,15). Çàäàâàåìîå êðèòåðèåì Igh ñîîòíîøåíèå ìåæäó óñèëèåì äåôîðìèðîâàíèÿ è ñòðåëîé ïðîãèáà ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü è ïîääåðæèâàòü ñêîðîñòü äåôîðìèðîâàíèÿ, à ñëåäîâàòåëüíî, è íàïðÿæåíèÿ, îïòèìàëüíûå äëÿ äàííîé òîëùèíû îáðàçöà è åãî óïðóãîïëàñòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê, ñâÿçàííûõ êàê ñ òåìïåðàòóðîé îáðàçöà ïðè äåôîðìèðîâàíèè, òàê è ñ íåñîâåðøåíñòâàìè ñòðóêòóðû ðåàëüíîãî êðèñòàëëà.
Îäíèì èç âàæíûõ ðåçóëüòàòîâ àíàëèçà ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ àâòîðû ñ÷èòàþò ïåðåõîä îò ñòðåëû ïðîãèáà h (êàê ñòåïåíè äåôîðìèðîâàíèÿ) ê óãëó α, ñâÿçàííîìó ñ èçìåíåíèåì ðàäèóñà ïÿòíà êîíòàêòà; α – óãîë ìåæäó íàïðàâëåíèåì ïðèëîæåíèÿ âíåøíåãî óñèëèÿ è ïîâåðõíîñòüþ êîíè÷åñêîé ÷àñòè îáðàçöà âûøå êðàÿ ïÿòíà êîíòàêòà, çàâèñèìîñòü êîòîðîãî îò ñòðåëû ïðîãèáà îïðåäåëÿåòñÿ óðàâíåíèåì
α = arctg −(x + R − h) , R2 − (x + R − h)2
(4)
ãäå x – ãëóáèíà ëóíêè êîíòàêòà, R – ðàäèóñ ïóàíñîíà.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008
Igh×10–4, ñì2/êã 3
2
1 4 8 12 16 h, ìì
Ðèñ. 1. Çíà÷åíèÿ êðèòåðèÿ Igh äëÿ ïðîâåäåíèÿ ïðîöåññà íåîäíîðîäíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè Zäèñêîâ ëåéêîñàïôèðà.
80 Igα
40 0 90 100 110 120 130 α, ãðàä
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòü ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ êðèòåðèÿ Ig äëÿ íåîäíîðîäíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ëåαéêîñàïôèðà.
Ïàðàìåòð α, èíâàðèàíòíûé ïî îòíîøåíèþ ê ãåîìåòðè÷åñêèì ïàðàìåòðàì îáðàçöà è ïðåññ-îñíàñòêè (ìàòðèöû è ïóàíñîíà), òàêæå ÿâëÿåòñÿ óíèâåðñàëüíûì ïðè ñîïîñòàâëåíèè ðåçóëüòàòîâ âûÿâëåíèÿ ýëåìåíòàðíûõ ìåõàíèçìîâ íåîäíîðîäíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè. Íà ðèñ. 2 ïðèâåäåíà ïîëó÷åííàÿ ïî ðåçóëüòàòàì èññëåäîâàíèÿ çàâèñèìîñòü ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ êðèòåðèÿ Igα îò α, ãäå
Igα = αδ/P.
(5)
Çàäàâàåìîå êðèòåðèåì Igα ñîîòíîøåíèå ìåæäó óñèëèåì äåôîðìèðîâàíèÿ è ñòðåëîé ïðîãèáà ïîçâîëÿåò îáåñïå÷èòü îïòèìàëüíóþ ñêîðîñòü äåôîðìèðîâàíèÿ. Ïðè çíà÷åíèÿõ êðèòåðèÿ áîëüøå âåðõíåé ãðàíèöû äîïóñòèìûõ çíà÷åíèé â ìàòåðèàëå âîçíèêàþò íàïðÿæåíèÿ, ïðåâîñõîäÿùèå ïðåäåë ïðî÷íîñòè ìàòåðèàëà; ïðè çíà÷åíèÿõ ìåíüøå íèæíåé ãðàíèöû ïðîèñõîäèò õðóïêîå ðàçðóøåíèå îáðàçöà. Ýòî ñâÿçàíî ñî ñíèæåíèåì ñêàëûâàþùèõ íàïðÿæåíèé â îäíîé èç ñèñòåì ñêîëüæåíèÿ â ëåéêîñàïôèðå (ñêîðåå âñåãî ïî ðîìáîýäðó) äî çíà÷åíèé íèæå ïðåäåëüíûõ äëÿ äàííîé ñèñòåìû ñêîëüæåíèÿ.
Èç àíàëèçà çàâèñèìîñòè ôàêòîðà Øìèäà îò óãëà α (ðèñ. 3) äëÿ ñèñòåì ñêîëüæåíèÿ, õàðàêòåðíûõ äëÿ ëåéêîñàïôèðà ïðè òåìïåðàòóðå âûøå 1600 °Ñ, ìîæíî çàêëþ÷èòü, ÷òî ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ óãëà α âîç-
71
Ψ
0,8
1 2
0,4 3
0 90 110 130 150 170 α, ãðàä
Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòè ôàêòîðà Øìèäòà äëÿ ïëîñêîñòåé ñêîëüæåíèÿ ëåéêîñàïôèðà îò óãëà α ïðè öåíòðàëüíî-êîëüöåâîì èçãèáå. 1 – ïî ðîáìîýäðè÷åñêîé ñèñòåìå, 2 – ïî ïðèçìàòè÷åñêîé ñèñòåìå, 3 – áàçèñíàÿ ñèñòåìà.
ðàñòàþò íàïðÿæåíèÿ, îáóñëàâëèâàþùèå äåôîðìàöèþ (ñêîëüæåíèå) ïî ðîìáîýäðè÷åñêîé è ïðèçìàòè÷åñêîé ñèñòåìàì ñêîëüæåíèÿ.  áàçèñíîé æå ñèñòåìå ñêîëüæåíèÿ äåôîðìàöèÿ îáëåã÷àåòñÿ äî çíà÷åíèé óãëà α ≈ 135°, ïðè äàëüíåéøåì óâåëè÷åíèè óãëà ïðîèñõîäèò ñíèæåíèå íàïðÿæåíèé, ÷òî çàòðóäíÿåò äåôîðìàöèþ. Äàííûå ðåçóëüòàòû ïîêàçûâàþò, ÷òî ïëàñòè÷åñêàÿ äåôîðìàöèÿ ëåéêîñàïôèðà ÿâëÿåòñÿ êðèñòàëëîãðàôè÷åñêè ëèìèòèðóåìûì ïðîöåññîì â òå÷åíèå âñåãî ïðîöåññà ôîðìîèçìåíåíèÿ, â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî â ïëîñêîñòè äèñêà îáðàçóåòñÿ ïíèðàÿâ, èïëðüîíäàóÿöèøðåóñåòìèûóõãîñëèüñíòàåÿìçîâéåç{ä1à0–1ï1î}ë〈î1ñ1–2ñê0î〉.ëüÁæèñå-ñåêòðèñàìè âõîäÿùèõ è èñõîäÿùèõ óãëîâ ÿâëÿþòñÿ ñîîòâåòñòâåííî Õ- è Y-íàïðàâëåíèÿ, ëåæàùèå â ïëîñêîñòÿõ êðèñòàëëîãðàôè÷åñêîãî áàçèñà [14]. Êðèñòàëëè÷åñêàÿ ðåøåòêà ëåéêîñàïôèðà ïðè äåôîðìàöèè òåðÿåò ïàðàëëåëüíîñòü òàêèì îáðàçîì, ÷òî ãëàâíûå îïòè÷åñêèå îñè Z (íàïðàâëåíèå 〈0001〉) îáðàçóþò ïó÷îê îñåé, íàïðàâëåííûõ ïî ðàäèóñàì îáðàçöà, ò. å. îïòè÷åñêàÿ îñü êðèñòàëëà îñòàåòñÿ ïåðïåíäèêóëÿðíîé ïîâåðõíîñòè êðèñòàëëà â ëþáîé åãî òî÷êå. Ïëàñòè÷åñêè äåôîðìèðîâàííûé ìîíîêðèñòàëë çàíèìàåò ïðîìåæóòî÷íîå, óïðàâëÿåìîå ïðîöåññîì ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ïîëîæåíèå ìåæäó ìîíî- è ïîëèêðèñòàëëè÷åñêèì ñîñòîÿíèÿìè âåùåñòâà, ó÷èòûâàÿ, ÷òî ìû èìååì ïðîñòðàíñòâåííî îðèåíòèðîâàííóþ ïî ðàäèóñó òåêñòóðó ôðàãìåíòîâ ñòðóêòóðû. Äàííàÿ òåêñòóðà ñîñòîèò èç ôðàãìåíòîâ ñ íåÿâíî âûðàæåííûìè ãðàíèöàìè è ìàëûìè óãëàìè èõ âçàèìíîãî ðàçâîðîòà, ñëåäîâàòåëüíî, ðå÷ü èäåò î òåêñòóðèðîâàííîì ìîíîêðèñòàëëå.
Ïîëó÷åíèå òåêñòóðèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà ÿâëÿåòñÿ ðåçóëüòàòîì äåôîðìàöèè èçãèáà, îáóñëîâëåííîãî ñóïåðïîçèöèåé ñêîëüæåíèÿ ïî ðîìáîýäðè÷åñêîé è áàçèñíîé ñèñòåìàì íà ïåðâîì ýòàïå. Äàëåå äîáàâëÿåòñÿ ïðèçìàòè÷åñêàÿ ñèñòåìà ñêîëüæåíèÿ. Íà âòîðîì ýòàïå äåôîðìàöèè (ðàñòÿæåíèè) ñêîëüæåíèå ïî áàçèñó çàòðóäíÿåòñÿ.
 ðàáîòàõ [13, 14] è íà ðèñ. 4, 5 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ïîëÿðèçàöèîííî-îïòè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé
72
òåêñòóðèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà âî âçàèìíî ïåðïåíäèêóëÿðíûõ íàïðàâëåíèÿõ, ïîêàçûâàþùèå ðàäèàëüíóþ íàïðàâëåííîñòü îïòè÷åñêèõ îñåé êðèñòàëëà â äåòàëè è èçìåíåíèå ãåîìåòðèè ðàñïîëîæåíèÿ îïòè÷åñêîé èíäèêàòðèñû ïî ñðàâíåíèþ è èñõîäíûì äèñêîì êðèñòàëëà.
Òàêèì îáðàçîì, ïëàñòè÷åñêóþ äåôîðìàöèþ ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ñïîñîá îáðàçîâàíèÿ êîíóñà îïòè÷åñêèõ îñåé ñ óãëîì â âåðøèíå â îäíîîñíîì êðèñòàëëå. Î÷åâèäíî, ÷òî äëÿ ñîâåðøåííîãî ìîíîêðèñòàëëà ýòîò óãîë ðàâåí íóëþ è ïðèîáðåòàåò êîíå÷íîå çíà÷åíèå ïðè ïëàñòè÷åñêîì èçãèáå Z-ñðåçà îäíîîñíîãî êðèñòàëëà.  êà÷åñòâå ôàêòîðîâ, âëèÿþùèõ íà èçìåíåíèå îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ, ìîæíî èñïîëüçîâàòü ðàäèóñ ïóàíñîíà, ñòåïåíü äåôîðìàöèè è êîíôèãóðàöèþ ðàáî÷åé ïîâåðõíîñòè ìàòðèöû. Íà îáðàçöàõ äèàìåòðîì 80 ìì èç òåêñòóðèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà íàâåäåííîå äâóëó÷åïðåëîìëåíèå ñîñòàâëÿëî ìåíåå 10–5.
Ðèñ. 4. Îòêëîíåíèå êîíîñêîïè÷åñêîãî êðåñòà â ìèêðîêîíîñêîïàõ íà ïîâåðõíîñòè òåêñòóðèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà.
Ðèñ. 5. Õàðàêòåð ïîãàñàíèÿ â ñêðåùåííûõ ïîëÿðèçàòîðàõ êðèâîé áàëêè-âûðåçêè èç òåêñòóðèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà: 1, 2, 3 – ïîëîæåíèÿ ïîãàñàíèÿ ýëåìåíòàðíîãî îïòè÷åñêè îäíîîñíîãî “ìîíîêðèñòàëëà”.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008
Õàðàêòåðèñòèêè òåêñòóðèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà
Õàðàêòåðèñòèêà
Òåêñòóðèðîâàííûé ëåéêîñàïôèð
Ïëîòíîñòü, ã/ñì3 Ñòðóêòóðà, ñèíãîíèÿ Îáëàñòü ïðîçðà÷íîñòè, ìêì Èíäèêàòðèñà Ãåîìåòðè÷åñêîå ðàñïîëîæåíèå îïòè÷åñêèõ îñåé êðèñòàëëà. Íàâåäåííîå äâóëó÷åïðåëîìëåíèå
3,98 Òåêñòóðèðîâàííûé ëåéêîñàïôèð
0,2–6,0 Ýëëèïñ äëÿ êàæäîé òî÷êè
Êîíóñ ñ ôîêóñîì Ìåíåå 10–5
Ëåéêîñàïôèð
3,98 Ìîíîêðèñòàëëè÷åñêàÿ, òðèãîíàëüíàÿ
0,2–6,0 Ýëëèïñ, nî < ne Ïàðàëëåëüíî 0 (íà óðîâíå ÷óâñòâèòåëüíîñòè ìåòîäèê)
 òàáëèöå ïðèâåäåíû õàðàêòåðèñòèêè òåêñòóðèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà è åãî ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîãî àíàëîãà, ïîêàçûâàþùèå ïðèíöèïèàëüíîå îòëè÷èå ïåðâîãî â ÷àñòè îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ. Ýòà îñîáåííîñòü ïîçâîëÿåò ïðåäëîæèòü òåêñòóðèðîâàííûé ëåéêîñàïôèð êàê íîâûé êðèñòàëëè÷åñêèé îïòè÷åñêèé ìàòåðèàë, èñïîëüçîâàíèå êîòîðîãî â ëèíçîâîé îïòèêå ñíèçèò äâóëó÷åïðåëîìëåíèå â ñîáèðàòåëüíûõ è ðàññåèâàþùèõ ëèíçàõ è ïîçâîëèò ïîëó÷èòü èçîòðîïíûå ëèíçû äëÿ ïàðàëëåëüíîãî ïó÷êà ëó÷åé [7, 15–17].
Òàêèì îáðàçîì, ìîæíî ñäåëàòü ñëåäóþùèå âûâîäû. Äëÿ èññëåäîâàíèÿ íåîäíîðîäíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè îäíîîñíûõ êðèñòàëëîâ ïðè öåíòðàëüíî-êîëüöåâîì èçãèáå íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàòü êðèòåðèàëüíûé ïîäõîä, ïðè÷åì êðèòåðèé äîëæåí ó÷èòûâàòü ãåîìåòðè÷åñêèå ïàðàìåòðû îáðàçöà, ïðèêëàäûâàåìîå óñèëèå è ôàêòîð, ó÷èòûâàþùèé ôîðìîèçìåíåíèå îáðàçöà (h èëè α). Âûÿâëåííûå îñîáåííîñòè ìåõàíèçìà íåîäíîðîäíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ëåéêîñàïôèðà, çàêëþ÷àþùèåñÿ â ñóïåðïîçèöèè ðàçëè÷íûõ ñèñòåì ñêîëüæåíèÿ íà ñòàäèè èçãèáà è ðàñòÿæåíèÿ, îáóñëàâëèâàþò ïîëó÷åíèå òåêñòóðèðîâàííîãî êðèñòàëëà. Ïðîèçîøåäøèå èçìåíåíèÿ îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ, ñâÿçàííûå ñ îáðàçîâàíèåì êîíóñà îïòè÷åñêèõ îñåé êðèñòàëëà, ïîçâîëÿþò ïî-íîâîìó âçãëÿíóòü íà îáëàñòü ïðèìåíåíèÿ îïòè÷åñêè îäíîîñíûõ êðèñòàëëîâ â îïòèêå.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Âîëûíåö Ô.Ê. Èòîãè è ïåðñïåêòèâû ðàçâèòèÿ îïòè÷åñêîé êåðàìèêè // ÎÌÏ. 1978. ¹ 11. Ñ. 39–41.
12. Âîëûíåö Ô.Ê., Óäàëîâà Ë.Â.. Àðàíîâñêèé Ë.È., Óñà÷åâ Â.Ï. Èññëåäîâàíèå êèíåòèêè óïëîòíåíèÿ îêèñè ìàãíèÿ ñ äîáàâêàìè ôòîðèäà ëèòèÿ ïðè ðàçëè÷íûõ òåìïåðàòóðàõ ãîðÿ÷åãî ïðåññîâàíèÿ // Èçâ. ÀÍ ÑÑÑÐ. Íåîðãàíè÷åñêèå ìàòåðèàëû.1973. Ò. VIII. ¹ 2. Ñ. 285–289.
13. Ïåòðîâñêèé Ã.Ò., Ìèðîíîâ È.À., Äåìèäåíêî Â.À., Áîðîçäèí Ñ.Í. Êðèñòàëëè÷åñêèå îïòè÷åñêèå ñðåäû // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 1992. ¹ 12. Ñ. 24–33.
14. Ïåòðîâñêèé Ã.Ò., Áîðîçäèí Ñ.Í., Äåìèäåíêî Â.À., Ìàëüöåâ Ì.Â., Ìèðîíîâ È.À., Ìóñàòîâ Ì.È., Ïèñüìåííûé Â.À., Øàòèëîâ À.Â. Îïòè÷åñêèå êðèñòàëëû è ïîëèêðèñòàëëû // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 1993. ¹ 11. Ñ. 77–93.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008
15. Shoji J., Kurimura S., Sato V. Optical properties and laser characteristics of highly Nd-doped Y3AL3O12 ceramics // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 77. ¹ 7. P. 939–941.
16. Lu J., Probhu P.,Yu J. Highly efficient 2% Nd: yttrium aluminum garnet ceramic laser // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 77. ¹ 23. P. 3797–3809.
17. Âåòðîâ Â.Í., Ðûæèêîâ Ý.Í., Èãíàòåíêîâ Á.À., Øåíãåëèÿ Å.À. Ñïîñîá ïîëó÷åíèÿ çàãîòîâêè ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîãî îïòè÷åñêîãî ìàòåðèàëà àëþìîìàãíèåâîé øïèíåëè // À. ñ. ÑÑÑÐ ¹ 1412237.
18. Øêóëüêîâ À.Â., Ïåòðîâ Þ.Á., Ïå÷åíêîâ À.Þ., Èãíàòåíêîâ Á.À., Âåòðîâ Â.Í. Ïîëó÷åíèå âûñîêî÷èñòûõ êðèñòàëëè÷åñêèõ îêñèäíûõ ìàòåðèàëîâ èíäóêöèîííîé ïëàâêîé â õîëîäíîì òèãëå // Òåç. äîêë. VIII Âñåñîþçí. êîíô. ïî ìåòîäàì ïîëó÷åíèÿ è àíàëèçà âûñîêî÷èñòûõ âåùåñòâ. Ãîðüêèé, 30 ìàÿ–2 èþíÿ 1988. C. 72.
19. Cassaing J.J., De′om A.A., Bouveret A.M., Balageas D.L. IR materials rain damage prediction and test results // Proc. SPIE. 1989. V. 1112. P. 295–305.
10. Gentilman. R., Maguire E., Kohane T., Valentine D.B. Comparision of Large ALON and Sapphire Windows // Proc. SPIE. 1989. V. 1112. P. 31–39.
11. Ïóàðüå Æ.Ï. Âûñîêîòåìïåðàòóðíàÿ ïëàñòè÷íîñòü êðèñòàëëè÷åñêèõ òåë. Ì.: Ìåòàëëóðãèÿ, 1982. 272 ñ.
12. Ïóàðüå Æ.Ï. Ïîëçó÷åñòü êðèñòàëëîâ. Ì.: Ìèð, 1988. 277 ñ.
13. Ñèáèêèíà Í.Ë., Àôàíàñüåâ È.È., Áåëåâöåâà Ë.È., Âåòðîâ Â.Í., Èãíàòåíêîâ Á.À., Êèñåëåâ À.Ï. Îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà ïëàñòè÷åñêè äåôîðìèðîâàííîãî ëåéêîñàïôèðà // ÎÌÏ. 1992. ¹ 4. Ñ. 53–55.
14. Àôàíàñüåâ È.È., Àíäðèàíîâà Ë.Ê., Âåòðîâ Â.Í., Èãíàòåíêîâ Á.À. Èçìåíåíèå îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ ëåéêîñàïôèðà ïîñëå âûñîêîòåìïåðàòóðíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè // Ôèçèêà òâåðäîãî òåëà. 1991. Ò. 33. ¹ 4. Ñ. 1173–1175.
15. Âåòðîâ Â.Í., Èãíàòåíêîâ Á.À., Ïèñüìåííûé Â.À. Ðûæèêîâ Ý.Í., Ïåòðîâñêèé Ã.Ò., Äóêåëüñêèé Ê.Â. Ñïîñîá ïîëó÷åíèÿ ëèíç // Ïàòåíò Ðîññèè. ¹ 2285757. 2006.
16. Âåòðîâ Â.Í., Èãíàòåíêîâ Á.À., Ïèñüìåííûé Â.À., Ìèðîíîâ È.À. Ñïîñîá ïîëó÷åíèÿ îïòè÷åñêèõ ëèíç èç ìîíîêðèñòàëëîâ // Çàÿâêà íà èçîáðåòåíèå ¹ 2005109583/ 28 îò 04.04.2005.
17. Âåòðîâ Â.Í., Èãíàòåíêîâ Á.À., Ïèñüìåííûé Â.À., Ìèðîíîâ È.À. Ñïîñîá ïîëó÷åíèÿ îïòè÷åñêèõ ëèíç ñ ìèíèìàëüíûì äâóëó÷åïðåëîìëåíèåì // Çàÿâêà íà èçîáðåòåíèå ¹ 2005109584/28 îò 04.04.2005.
73