EFFECT OF STRESS ON THE BIREFRINGENCE OF SINGLE CRYSTALS OF KAI(SO4)212H2O
EFFECT OF STRESS ON THE BIREFRINGENCE OF SINGLE CRYSTALS OF KAI(SO4)212H2O
Abstract
The technique of growing optically transparent crystals of KAL(SO4)212H2O from aqueous solution was developed. It has been established that under the action of mechanical load, the studied crystal becomes optically anisotropic. The arising deformations cause induced birefringence. In this case, the directions of the principal axes of the dielectric permeability ellipsoid of the material coincide with the directions of the principal axes of the stress ellipsoid. In the case of one-sided compression, this compression direction becomes highlighted and plays the role of an optical axis. The optical properties of a body deformed in this way correspond to the properties of an uniaxial crystal. From the experimental dependence of the birefringence of the crystal on the external mechanical stress applied to the crystal, the constant of the elastic-optical effect is determined.
1. Введение
Семейство изоструктурных кристаллов с общей формулой M1+M23+ (SO4) ∙12H2O (где M1 – Na, K, Rb, Cs, NH4 и т. д., M2 – Al, V, Cr, Fe и т. д.) благодаря возможности выращивания крупных монокристаллов хорошего оптического качества, без сложного аппаратурного оформления довольно подробно описано в работе . Кристаллы KАl(SO4)212H2O (алюмокалиевые квасцы) широко используют в медицине благодаря их антимикробным свойствам и способности активировать иммунитет, в связи с чем алюмокалиевые квасцы включают в состав противовирусных вакцин . Кроме того, относительно недавно была показана возможность применения таких монокристаллов в качестве оптических ограничителей и рамановских преобразователей частоты лазеров , , . Монористаллы-квасцы KАl(SO4)212H2O обладают изотропными свойствами. Однако известно, что под действием механической нагрузки изотропные материалы становятся оптически анизотропными. Возникающие деформации вызывают наведенное двойное лучепреломление. При этом направления главных осей эллипсоида диэлектрической проницаемости материала совпадают с направлениями главных осей эллипсоида напряжений. В случае одностороннего сжатия это направление сжатия становится выделенным и играет роль оптической оси. Оптические свойства деформированного таким образом тела соответствуют свойствам одноосного кристалла. Разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей Δn = no – ne является мерой возникшей анизотропии и пропорциональна механическому напряжению σ , , , . Кроме того, n0 и ne зависят от длины волны (дисперсия двойного лучепреломления), вследствие чего при наблюдении в белом свете искусственно анизотропное тело при скрещенных поляризаторах оказывается пестро окрашенным. Распределение окраски может служить хорошим качественным признаком распределения напряжений; кроме того, возникновение окрашенных полей оказывается более чувствительным признаком проявления анизотропии, чем простое просветление, имеющее место при монохроматическом свете.
Регистрация искусственной анизотропии является очень чувствительным методом наблюдения напряжений, возникающих в прозрачных телах. Его с успехом применяют для наблюдения за напряжениями, возникающими в стеклянных изделиях (паянных и прессованных), охлаждение которых производилось недостаточно медленно. К сожалению, громадное большинство технически важных материалов непрозрачно (металлы), вследствие чего этот прием к ним непосредственно не приложим. Однако в последнее время получил довольно широкое распространение оптический метод исследования напряжений на искусственных моделях из прозрачных материалов (целлулоид, ксилонит и т.д.). Приготовляя из такого материала модель (обыкновенно уменьшенную), подлежащей исследованию детали, осуществляют нагрузку, имитирующую с соблюдением принципа подобия ту, которая имеет место в действительности, и по картине между скрещенными поляризаторами изучают возникающие напряжения, их распределение, зависимость от соотношения частей модели и т.д.
Целью настоящей работы являлось изучение явления двойного лучепреломления одноосных кристаллов KАl(SO4)212H2O, выращенных из водных растворов, повергнутых односторонней деформации сжатия.
2. Основные результаты
Для выращивания монокристаллов использовали KАl(SO4)212H2O марки ч.д.а., который засыпали в химический стакан 100 г и заливали горячей дистиллированной водой при непрерывном перемешивании до образования насыщенного раствора. После остывания раствор фильтровали несколько раз. Стакан с раствором помещали в прохладное, темное место. На следующий день образовались много маленьких кристалликов. Выбрали два крупных и правильных кристаллика в качестве затравок, а раствор еще раз отфильтровывали. Кристаллы-затравки подвешивали с помощью лески в середине стаканов, накрывали листками бумаги, помещали в темное место не подверженное перепаду температур. Раз в неделю растворы фильтровали от выпадающих маленьких кристалликов. Когда кристаллы выросли до подходящих размеров, их извлекли, промыли в проточной дистиллированной воде, протерли салфеткой и покрыли двумя слоями прозрачного лака. Из полученных двойников (рис. 1.) извлекли крупный монокристалл в форме параллепипеда с размерами 2х0,6х0,8 см3 (рис. 2).
Рисунок 1 - Монокристалл KАl(SO4)212H2O
Рисунок 2 - Установка для исследования оптической анизотропии монокристалла KАl(SO4)212H2O:
1 – источник излучения; кристалл; 2 – поляризатор; 3 – исследуемый кристалл; 4 – анализатор; 5 – компенсатор двойного лучепреломления Бобине Солейля; 6 – ФЭУ-100; 7 – регистрирующее устройство
При сжатии или растяжении тела вдоль направления MN происходило изменение межатомных расстояний в этом направлении, что, в свою очередь, влияло на поляризуемость и, следовательно, на условия распространения световых волн. В деформированном кристалле возникали обыкновенная «o» и необыкновенная «e» волны, которые распространялись в одном направлении, перпендикулярно оптической оси MN квазикристалла, но с разными скоростями. В точке возникновения «o» и «e» волн разность фаз колебаний между ними кратна 𝜋 (на квазикристалл падает линейно поляризованный свет). На выходе из квазикристалла разность фаз колебаний изменится на величину
.
В результате этого свет станет эллиптически поляризованным и частично пройдёт через второй поляризатор. Таким образом, поле зрения на выходе из системы просветлится.
Мерой оптической анизотропии является показатель двойного лучепреломления Опыты показали, что двойное лучепреломление Δ𝑛 пропорционально величине механического напряжения σ = F/S = F/hl, то есть величине силы приходящейся на единицу площади , .
Таким образом,
,
где 𝛾 — постоянная Коттона-Мутона упругооптического эффекта;
l — толщина кристалла;
h — ширина кристалла.
В зависимости от рода вещества 𝛾 может быть как положительной, так и отрицательной величиной. Кроме того, 𝛾 зависит от длины волны.
Поиск постоянной упругооптического эффекта в материалах научно-технической литературы, значение которой необходимо знать для определения показатель двойного лучепреломления исследуемого кристалла, не дал положительных результатов. Поэтому для ее нахождения нами было изготовлено устройство для создания одноосной деформации сжатия с помощью пружин (с жесткостью k = 3·103 Нм) вдоль направления MN, которое становится выделенным, и играет роль оптической оси.
Рисунок 3 - Зависимость двойного лучепреломления кристалла KАl(SO4)212H2O от внешнего, механического напряжения приложенного к нему
Из рисунка 3 видно, что величина двойного лучепреломления, возникающая в кристалле KАl(SO4)212H2O даже при напряжении 8·102 Н/м2, имеет маленькое значение Δn = 20·10-5. Среднее значение постоянной упругооптического эффекта, определенное, используя полученные экспериментальные данные, равно .
3. Заключение
1. Выращены крупноблочные, одноосные, тетрагональной сингонии монокристаллы хорошего оптического качества.
2. Изучена зависимость величины двулучепреломления кристалла KАl(SO4)212H2O от напряжения, приложенного к нему.
3. Определена константа упругооптического эффекта в кристалле KАl(SO4)212H2O.