МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИЧНОЇ ОПТИКИ

Б Р Е З В І Н

Р у с л а н С т е п а н о в и ч

УДК 535.323, 535.53, 537.226, 548.0

ВПЛИВ ОДНОВІСНИХ ТИСКІВ НА РЕФРАКЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ КРИСТАЛІВ ГРУПИ А2ВХ4 З ІНВЕРСІЄЮ ЗНАКА ДВОПРОМЕНЕЗАЛОМЛЕННЯ

01.04.05 - оптика, лазерна фізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Львів - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізичної оптики Міністерства освіти і науки України

(м. Львів) та Львівському національному університеті імені Івана Франка.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Романюк Микола Олексійович,

Львівський національний університет імені Івана Франка,

кафедра “Експериментальна фізика”

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Влох Ростислав Орестович,

Державний університет “Львівська політехніка”

кафедра “Електронні прилади”

кандидат фізико-математичних наук, доцент

Кушнір Олег Степанович,

Львівський національний університет імені Івана Франка,

кафедра “Нелінійна оптика”

Провідна установа: Ужгородський державний університет, фізичний факультет,

Міністерство освіти і науки України (м. Ужгород)

Захист відбудеться "26" вересня 2000 року о 15 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.071.01 при Інституті фізичної оптики за адресою: 79005, м. Львів, вул. Драгоманова, 23.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізичної оптики за адресою: 79005, м. Львів, вул. Драгоманова, 23.

Автореферат розісланий "23 серпня 2000 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат фіз.-мат. наук, доцент Климів І.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом значна увага приділяється кристалам з інверсією знака двопроменезаломлення. Після встановлення температурно-спектральних діаграм інверсії знака двопроменезаломлення було запропоновано використати їх для задання і вимірювання температури та створення реперних температурних точок. Ці роботи започатковані у Львівському національному університеті імені Івана Франка. Поряд з пошуком нових кристалів досліджувались відомі кристали на стійкість точки інверсії знака двопроменезаломлення щодо відпалу зразків, термоциклювання, впливу домішок, дефектів і зовнішніх полів. Важливим є пошук нових кристалів, які б охоплювали ще не освоєні області температур, доступні області спектра, були дешевими та зручними технологічно. Крім сказаного, заміна елементів структури, інші фактори впливу на двопроменезаломлення кристалів повинні би сприяти створенню мікроскопічної теорії ефекту та пошуку стабільних матеріалів. Тонкий ефект інверсії знака двопроменезаломлення може бути чутливим індикатором особливостей фазових переходів (ФП), несумірних фаз (НФ) та інше.

До початку наших досліджень було виконано низку робіт по вивченню двопроменезаломлюючих властивостей різноманітних кристалів, однак практично відсутні відомості про вплив одновісного механічного тиску на спектральні залежності двопроменезаломлення, поведінку ізотропних точок та фазових переходів.

У зв'язку з викладеним, завданням роботи був пошук і дослідження нових кристалів з інверсією знака двопроменезаломлення, встановлення впливу заміщень елементів структури та зовнішніх полів на характеристики ефекту.

Об'єктами дослідження були відомі сегнетоелектричні кристали (NH4)2BeF4 і LiKSO4, що володіють інверсією знака двопроменезаломлення та низкою фазових переходів, а також кристали сингеніту (К2Ca(SO4)2.H2O). З ряду ізоморфних кристалів типу АВSO4, де A, B = Li, K, Na, Rb, Cs i NH4, що в принципі можуть володіти інверсією знака двопроменезаломлення, було вирощено декілька ізоморфних кристалів і вибрано для детальних досліджень кристали RbNH4SO4 та RbKSO4.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота безпосередньо пов'язана з держбюджетними фундаментальними дослідженнями, які ведуться в лабораторії параметричної кристалооптики та рефрактометрії Інституту фізичної оптики за проектом Міністерства освіти України “Явища і процеси фізичної оптики та лазерної фізики” (№ д.р. 0196V006716, тема ІФО-24; № д.р. 0196V006996, тема ІФО-29), а також в лабораторії кристалооптики Львівського національного університету імені Івана Франка за проектом Міністерства освіти України “Аномальна оптична анізотропія в діелектричних та напів-провідникових кристалах” (№ д.р. 0197V018121, тема Фе-284 Б).

Мета та основні завдання дослідження. Основною метою дисертаційної роботи були порівняльні дослідження інверсії знака двопроменезаломлення (ІЗД) та впливу одновісного механічного тиску на показники заломлення, двопроменезаломлення та інверсію знака двопроменезаломлення деяких вперше синтезованих та відомих кристалів, що володіють точкою інверсії знака двопроменезаломлення. Досягнення цієї мети вимагало вирішення наступних основних завдань:

1. Пошук нових кристалів з інверсією знака двопроменезаломлення.

2. Дослідження дисперсії і температурних змін показників заломлення ni(l,T) і двопроменезаломлення Dni(l,T) вперше вирощених кристалів RbNH4SO4 та RbKSO4 в широкій області спектра (250-850 нм) і температур (77-820 К), їх апроксимація формулою Зельмейєра, розрахунок параметрів ефективних ультрафіолетових і інфрачервоних осциляторів, електронної поляризовності та рефракції.

3. Дослідження впливу одновісного механічного тиску на двопроменезаломлюючі властивості та точку інверсії знака двопроменезаломлення кристалів RbNH4SO4, (NH4)2BeF4, LiKSO4 та К2Ca(SO4)2.H2O.

4. Дослідження спектральних і температурних змін п'єзооптичних коефіцієнтів в околі точки інверсії знака двопроменезаломлення і точок фазових переходів.

5. Оптичне дослідження баричних зміщень точок фазових переходів між параелектричною, несумірною та сумірною фазами.

6. Побудова температурно-спектрально-баричних діаграм ізотропного стану досліджуваних кристалів та розгляд можливостей їх практичного застосування.

Наукова новизна одержаних результатів:

·

· встановлено, що одновісний механічний тиск уздовж головних кристалофізичних напрямків суттєво змінює двопроменезаломлення досліджуваних кристалів, а при зміні осі тиску прирости двопроменезаломлення змінюють знак;

· розраховано температурні та спектральні залежності комбінованих п'єзооптичних констант досліджуваних кристалів, виявлено підвищення симетрії їх тензора в районі точки інверсії знака двопроменезаломлення;

· на основі експериментальних даних побудовано температурно-спектрально-баричні діаграми інверсії знака двопроменезаломлення досліджуваних кристалів;

· досліджено вплив одновісного механічного тиску на точки фазових переходів кристалів LiKSO4, (NH4)2BeF4 і RbNH4SO4; виявлено точку зникнення несумірної фази кристалів LiKSO4 та (NH4)2BeF4.

Практичне значення одержаних результатів полягає:

·

· у виявленні нових кристалів (RbNH4SO4 і RbKSO4), що володіють інверсією знака двопроменезаломлення в широких температурних і спектральних діапазонах та розширенні відомого ряду кристалів групи А2ВХ4 з цією особливістю;

· у розробці методики дослідження впливу одновісних механічних тисків на двопроменезаломлюючі властивості кристалів при одночасній зміні температури і довжини світлової хвилі;

· у встановленні можливості зміни (розширення або звуження) температурного і спектрального діапазонів існування інверсії знака двопроменезаломлення кристалів при прикладанні одновісних тисків уздовж різних кристалофізичних напрямів;

· в обгрунтуванні очікуваних структурних змін кристалічної гратки при фазовому переході в кристалі RbNH4SO4 на основі баричної залежності температури фазового переходу;

· у побудові температурно-спектрально-баричних діаграм точок інверсії знака двопромене-заломлення кристалів і розробці на їх основі ідеї кристалооптичних датчиків тиску; у розширенні кола матеріалів для кристалооптичних датчиків температури.

Особистий внесок здобувача. Постановка задачі, з'ясування напрямів дисертаційної роботи та обговорення результатів досліджень виконані разом з науковим керівником, професором кафедри експериментальної фізики Львівського національного університету імені Івана Франка, доктором фіз.-мат. наук М.О.Романюком, а також - з доцентом цієї ж кафедри, кандидатом фіз.-мат. наук В.Й.Стадником. У процесі виконання дисертаційної роботи здобувач виготовив установку для вимірювання впливу одновісного механічного тиску на двопроменезаломлюючі властивості кристалів при температурах, вищих кімнатної, виростив кристали та підготував зразки для досліджень, одержав експериментальні результати, виконав їх обробку. Синтез і вирощування кристалів, вимірювання температурних та спектральних залежностей показників заломлення і двопроменезаломлення, дослідження впливу одновісного механічного тиску на двопроменезаломлюючі властивості при температурах Т<300 К було проведено в лабораторії кристалооптики Львівського національного університету імені Івана Франка. Дослідження впливу одновісного механічного тиску на двопроменезаломлюючі властивості кристалів при Т>300 К проведені в Інституті фізичної оптики.

Апробація результатів роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на:

·

· Українсько-польській і східно-європейській школі-семінарі по фізиці сегнетоелектриків (Україна, Ужгород, 18-24 вересня, 1994 р.);

· міжнародній конференції з оптичних діагностичних матеріалів (Україна, Київ, 11-13 травня, 1995 р.);

· міжнародній конференції до 150-річчя від дня народження І.Пулюя (Україна, Львів, 23-26 травня, 1995 р.);

· XXII міжнародній школі по сегнетоелектриці (Польща, Кудова Здруй, 16-20 вересня, 1996 р.);

· Першій Українській школі-семінарі з фізики сегнетоелектриків та споріднених матеріалів (Україна, Львів, 26-28 серпня 1999 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 21 наукову працю, серед яких 11 статей у профільних наукових журналах і 10 тез доповідей у збірниках наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, шести основних розділів, висновків та списку використаних джерел. Робота містить 139 сторінок друкованого тексту, 60 рисунків, 8 таблиць та перелік літературних джерел із 125 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, визначено мету роботи, її наукову і практичну цінність.

У першому розділі подано короткий опис явища інверсії знака двопроменезаломлення в кристалах та літературний огляд фізичних властивостей об'єктів дослідження.

Відмічено, що у кристалах LiKSO4 температури і характер ФП точно не встановлені, а відмінності числових значень оптичних констант пояснюються природою зразків, їхньою

передісторією, часовим інтервалом вимірювань, доменною структурою.

Проаналізовано зміну оптико-фізичних властивостей досліджуваних кристалів у районі ізотропної точки. В кристалі LiKSO4 температурний хід точки інверсії знака двопроменезаломлення не залежить від знака зміни температури зразка. Кристал (NH4)2BeF4 має дві ізотропні точки: для області спектра 400-1000 нм температурне положення низькотемпературної ізотропної точки (Т=76 К) практично не залежить від довжини хвилі (dl0/dT®µ), в області 200-400 нм її спектральне положення має слабку температурну залежність, а температурно-спектральна залежність одновісного стану оптичної індикатриси в районі 309 К змінює знак похідної dl0/dT при l=500 нм. В кристалі К2Ca(SO4)2.H2O при Т=418 К для l=632,8 нм виявлено ізотропну точку, яка при пониженні температури рухається в довгохвильову область спектра.

Встановлено, що відомості про п'єзооптичні властивості кристалів типу А2ВХ4 є малочисельні і практично відсутні дані про температурні і спектральні залежності п'єзооптичних констант інших досліджуваних кристалів.

У другому розділі описано методики вирощування й установки кристалів та досліджень їх оптичних властивостей, в т.ч. у полі механічних напруг.

Кристали RbNH4SO4 та RbКSO4 були отримані з водного розчину методами випаровування і пониження температури і мали добре розвинуту огранку. Орієнтація кристалів проводилась за їх огранкою з використанням методу погасання та коноскопічних картин. Встановлено, що вони належать до ромбічної сингонії, імовірна група mmm; вважалось, що в парафазі (ПФ) параметри гратки a<c<b (Nxзза, Nyззb, Nzззc).

Описано методики дослідження температурно-спектральних залежностей показників заломлення методом Обреїмова та двопроменезаломлення інтерференційним методом. Поляризоване світло отримували за допомогою призм Глана-Фуко.

Детально описано оригінальну методику дослідження впливу одновісного механічного тиску на двопроменезаломлюючі властивості кристалів: описані спеціальні приставки до кріостата і до високотемпературної пічки, що дозволяють стискати кристал з допомогою набору каліброваних вантажів до напруг s=200 бар. Вимірювання двопроменезаломлення проводилося за зміною інтерференційної картини, залежної від теплового і механічного полів:

Dn(T, s)=k(T, s) . l /d(T, s).

Змінюючи один із параметрів (Т або s) при фіксованому іншому, за зміщенням екстремумів

к(Т, s) інтерференційної картини можна однозначно визначити температурну чи баричну залежність двопроменезаломлення Dn.

У видимій області спектра точку інверсії знака двопроменезаломлення встановлювали і контролювали за формою коноскопічної фігури, в ультрафіолетовій - за зміщенням смуги інтерференції порядку к=0.

П'єзооптичні константи розраховано на основі експериментально виміряних індукованих приростів двопроменезаломлення dDnk за формулою:

¶(dDnk)/¶sm = pokm = p*km - 2Dnkskm або p*km = pokm + 2Dnkskm ,

де pokm - комбіновані п'єзооптичні константи, skm - коефіцієнти пружної податливості.

Константи формули Зельмейєра розраховано за наявними програмами.

У третьому розділі представлені результати дослідження температурно-спектральних залежностей показників заломлення і двопроменезаломлення для трьох кристалофізичних напрямків кристалів RbNH4SO4 та RbKSO4 в області 250-850 нм і практично в усьому температурному діапазоні існування цих кристалів (77-820 К).

Встановлено, що в спектральному діапазоні 300-800 нм дисперсія показників заломлення ni(l) кристалів RbNH4SO4 i RbKSO4 нормальна (i=X, Y, Z) і добре описується двоосциляторною формулою Зельмейєра:

ni2(l) = 1 + (Bil2oil2)/(l2-l2oi) + (Biўl202l2)/(l2-l202),

де константи Ві, Віў, l01, l 02 залежні від температури.

На основі експериментальних залежностей ni(l) розраховані електронна поляри-зовність a i і питомі рефракції Ri досліджуваних кристалів:

(ni-1)/(ni2+2)=4pN0 ai /3=(r/m)Ri,

а також ефективні параметри формули Зельмейєра (таблиця 1).

Таблиця 1

Параметри ефективних осциляторів, поляризовність та рефракція кристалів

RbNH4SO4 i RbKSO4 при кімнатній температурі

RbNH4SO4 RbKSO4

вісь l01,нм l02,нм Ві,10-6 нм-2 Вўі,10-9 нм-2 l01,нм l02,нм Ві,10-6 нм-2 Вўі,10-9 нм-2

X 87.31 10320.21 168.46 41.30 97.118 8225.82 128.91 15.31

Y 93.82 7778.43 143.34 10.02 94.708 9120.13 134.03 6.96

Z 97.04 8366.57 135.34 12.00 84.198 11230.4 172.20 3.69

ai, 10-24 см3 Ri, см3 ai, 10-24 см3 Ri, см3

X 9.04 23.29 8.99 21.15

Y 9.15 23.32 8.93 21.19

Z 9.18 23.49 8.97 21.09

Порівняння параметрів оптичної індикатриси кристалів RbNH4SO4 з ізоморфними кристалами Rb2SO4 і (NH4)2SO4 показало наступні зміни при катіонному заміщенні: заміна (NH4)+®Rb+ приводить до зростання показників заломлення в середньому на (3...5).10-3, зміщення lох приблизно на 7 нм в сторону коротких, а lоz - на 3 нм в сторону довгих хвиль, при цьому електронна поляризовність зростає на (0,2...0,3).10-24 см3, а питома рефракція - на 0,3...0,7 см3. Заміна Rb+®NH4+ веде до зменшення ni на (3...6).10-3, lоі зміщається в сторону коротших довжин хвиль на 4...7 нм, електронна поляризовність і питома рефракція дещо зменшуються (на (0,03...0,07).10-24 см3 і 0,005...0,01 см3, відповідно).

Розраховані повні рефракції кристалів RbNH4SO4 і RbKSO4 добре узгоджуються з сумою питомих рефракцій їх компонент і показують, що катіони K+ дають вклад 15%, Rb+ -21% і NH4+ - 22% в загальну рефракцію розгляданих кристалів.

Температурні зміни показників заломлення кристалів RbKSO4 дали змогу виявити два фазові переходи 1-го роду при Т=115,5 К і Т=820 К.

При пониженні температури показники заломлення кристалів RbNH4SO4 збільшуються і при Т=120 К має місце зміна нахилу кривих ni(Т), що свідчить про ФП 2-го роду.

Виявлено точки інверсії знака двопроменезаломлення у кристалах RbNH4SO4 і RbKSO4. У кристалі RbNH4SO4 така точка спостерігається для осі Y при 189 К і 633 нм, а її температурна чутливість ¶l/¶Т виявилась дуже високою. При цьому мають місце такі зміни коноскопічних фігур: при кімнатній температурі для довжини хвилі l=633 нм кут між оптичними осями дорівнює 41°30ў, для 189 К кристал стає одновісним, при нижчих температурах кут між осями знову збільшується, але оптичні осі з площини XY переходять у площину YZ. У кристалах RbKSO4 існують три ізотропні точки у всіх трьох кристалофізичних напрямках зразка.

У четвертому розділі представлені результати дослідження впливу одновісного механічного тиску на двопроменезаломлюючі властивості досліджуваних кристалів LiKSO4, (NH4)2BeF4, RbNH4SO4 та К2Ca(SO4)2.H2O.

Встановлено наступну закономірність: двопроменезаломлення кристалів LiKSO4, (NH4)2BeF4, RbNH4SO4 і К2Ca(SO4)2.H2O достатньо чутливе до основісних механічних тисків уздовж головних кристалофізичних осей; одновісний механічний тиск уздовж взаємно-перпендикулярних кристалофізичних осей si,m приводить до різних за знаком і величиною змін Dnj (i, j, m = 1, 2, 3).

Для кристала LiKSO4 спектральна залежність двопроменезаломлення свідчить про те, що в районі точки ІЗД dDnx/dsz є значним, а при віддаленні від неї воно виходить на насичення.

Для кристала (NH4)2BeF4 виявлено, що при стисненні зразка вздовж осі більшого показника заломлення (sii ккX ккNg) d(Dnz)>0, при стиску вздовж осі меншого показника заломлення (sii ккU ккNg) d(Dnz)<0. Для напрямку Y, який в кристалі (NH4)2BeF4 відповідає інверсії знака двопроменезаломлення, також виконуються раніше зроблені висновки відносно знаків приросту dDny і d(dDny/dl), однак dDny/dl має різні знаки для lі500 нм і lЈ500 нм. Зміщення кривих Dny(s) вверх або вниз відносно кривої ненавантаженого зразка веде до розширення (sx) або звуження (sz) спектрального інтервалу між точками інверсії знака двопроменезаломлення Dny=0, що відповідає одній температурі зразка.

Лінійними виявились температурні залежності Dnі вільних та затиснутих зразків К2Ca(SO4)2.H2O.

Виявлено баричні зміщення температури ФП досліджуваних кристалів. Для кристалів (NH4)2BeF4 встановлено, що під дією одновісного тиску sх і sу ФП зміщуються в сторону низьких температур (dТі/dsх = - 0,011 К/бар і dТс/dsх = - 0,016 К/бар, dТі/dsy = - 0,009 К/бар і dТс/dsу = - 0,012 К/бар), а під дією одновісного тиску sz - в сторону високих температур (dТі/dsz = 0,003 К/бар і dТс/dsz = 0,005 К/бар). При цьому сумарні коефіцієнти зміщень точок ФП під дією всіх одновісних тисків вздовж головних кристалофізичних напрямків рівні: dТі/ds = - 0,017 К/бар і dТс/ds = - 0,023 К/бар. У загальному, точки ФП кристалів (NH4)2BeF4 зміщуються в сторону низьких температур, що узгоджується з характером впливу гідростатичного тиску на їх ФП.

Показано, що одновісні тиски sх і sу ведуть до розширення НФ і переміщення температурного інтервалу існування останньої в сторону нижчих температур. Одновісний тиск sz веде до звуження НФ. Шляхом лінійної екстраполяції прямих Ті(sz) встановлено, що при тисках sz~2,3 кбар і Т~190 К в кристалі (NH4)2BeF4 зникне несумірна фаза і буде мати місце ФП парафаза - сегнетоелектрична фаза.

Встановлено наступні баричні коефіцієнти зміщення температур ФП для кристала LiKSO4: dTі/dsz=0.07 K/бар і dTc/dsz =0.12 K/бар. Шляхом екстраполяції лінійних залежностей Ті,с(sz) визначено, що при тиску sz~1.4 кбар в кристалі LiKSO4 зникає НФ і при Т=353 К виникає "потрійна точка" - ФП кімнатнотемпературна - сегнетоеластична фаза. Механічний одновісний тиск вздовж осі Y приводить до зміщення ФП в область низьких температур зі швидкостями dTc/dsy = - 0.045 K/бар і dTі/dsy = - 0.107 K/бар, так що НФ кристала LiKSO4 розширюється.

Для кристала RbNH4SO4 загальні особливості такі: зміни Dni пропорційні до температури, при переході через точку ФП (приблизно 120 К) змінюється знак похідної а=¶Dni/¶T (a<0 при T>120 K, a>0 при T<120 K), модуль а у фазі ІІ більший, ніж у фазі І, а в точці ФП спостерігається злом на залежності а(Т), під впливом тиску зміщується точка ФП в область низьких температур (тиски sx та sy) або в область високих температур (тиск sz). “Сумарний” (гідростатичний) коефіцієнт зміщення: ¶Tc/¶p = Tc/¶si = - 0,015 K/бар.

Отримані результати пов'язуються з впливом одновісних тисків на кристалічну структуру кристалів: тиски sz сприяють повертанню тетраедрів BeF42- чи SO42- і тим самим зміщують ФП в сторону високих температур, тиски sу і sх “гальмують” повертання цих тетраедрів і тим самим зміщують ФП в сторону низьких температур.

Аналогічно пояснюються баричні зміщення точок ФП у кристалах RbNH4SO4.

У п'ятому розділі представлені результати досліджень комбінованих п'єзооптичних коефіцієнтів кристалів у широкому спектральному (300...750 нм) і температурному

(77...500 К) діапазонах, що охоплюють області фазових переходів та ізотропних точок.

Для кристала LiKSO4 встановлено, що p0im змінюється з температурою нелінійно; в парафазі і в несумірній фазі - зменшується, а в сегнетоеластичній фазі (СФ) - збільшується. При Т=185 К виявлено різку стрибкоподібну зміну p013. Значна аномалія p013 в точці Тс обумовлена зміною індукованого двопроменезаломлення за рахунок виникнення спонтанної деформації та солітонної структури кристала. У точці інверсії знака Dni підвищується не тільки симетрія тензора ІІ-го рангу, який описує оптичну індикатрису, але й симетрія тензора п'єзооптичних констант (IV ранг), який описує зміни двопроменезаломлення під дією одновісного тиску.

Розраховано спектральні і температурні залежності абсолютних п'єзооптичних констант кристалів (NH4)2BeF4 шляхом розв'язку системи рівнянь типу:

dDnі = (Dnj - Dnk) = - 1/2 [n3j pjm - n3k pkm]sm

з дев'ятьма невідомими pjm, де dDnі - зміна двопроменезаломлення вздовж осі і при одновісному стиску вздовж кристалофізичної осі m; pjm - абсолютні п'єзооптичні константи, nj, nk - абсолютні значення показників заломлення. Характер аномалій при ФП ПФ-НФ і НФ-СФ (зміна нахилу кривих pim(Т)) відповідає характеру аномальних змін показників заломлення і двопроменезаломлення при даних ФП і обумовлений параметром порядку НФ, спонтанною деформацією і спонтанною поляризацією СФ.

Проведені вимірювання для кристалів RbNH4SO4 показали, що температурні зміни poim практично лінійні у полярній та параелектричній фазі. При ФП змінюється знак та абсолютна величина ¶poim/¶Т. Максимальне значення має константа po23, так що стиск вздовж осі Y суттєво впливає на компоненти у перпендикулярній площині, що узгоджується з відомим упорядкуванням тетраедрів під час ФП.

У шостому розділі приведені температурно-спектрально-баричні діаграми ізотропного стану і пропонується практичне використання даних кристалів.

Для кристала (NH4)2BeF4 виявлено, що при l=const одновісний тиск уздовж осі Z суттєво зміщує точку ІЗД в сторону низьких температур. При тисках sz ~100 бар точка зміни знака похідної ¶l0/¶Т діаграми l0(Т) (l=500 нм) зміщується на 4 К (Т=306 К) в сторону нижчих температур, тиск sх зміщує ізотропну точку в сторону високих температур. При Т=const одновісний тиск sх зміщує l01 в довгохвильову область спектра, а l02 - в короткохвильову. Одновісний тиск уздовж осі Z зміщує точки ІЗД в різні сторони, але протилежні до зміщень, викликаних sх.

У напружених зразках LiKSO4 точка ІЗД при постійній температурі зміщується в короткохвильову ділянку спектра (тиск уздовж осі Z), притому більш чутливими до тисків є довгохвильові (вони ж і низькотемпературні) частини діаграми, і з ростом тиску ця чутливість дещо зменшується. Одновісний механічний тиск уздовж осі Y зміщує температурно-спектральну діаграму ІЗД у протилежну сторону: при постійній температурі точка інверсії зміщується в довгохвильову ділянку спектра. В даному випадку більш чутливими до напруг є короткохвильові (вони ж і високотемпературні) частини діаграми.

У кристалах RbNH4SO4 одновісні механічні тиски sx і sz також ведуть до зміщення точки ІЗД, відповідно, в сторони нижчих і вищих температур, принципово не змінюючи самого характеру залежності l0(Т). При цьому коефіцієнти спектрального зміщення ізотропної точки для двох областей l0(Т) суттєво не відрізняються.

Побудовано температурно-спектрально-баричні діаграми одновісного стану кристалів LiKSO4, (NH4)2BeF4, RbNH4SO4 та К2Ca(SO4)2.H2O, які дають можливість однозначно визначати ізотропний стан даних кристалів при незмінному одному з параметрів s, l чи Т.

У роботі для відомого поляризаційно-оптичного методу вимірювання температури запропоновано як робочий матеріал кристал RbNH4SO4. Аналіз температурно-спектральних змін Dnі і поведінка інверсії знака двопроменезаломлення показують, що найбільш придатним температурним діапазоном використання кристала RbNH4SO4 в якості кристалооптичного датчика температури є діапазон 150…500 К, оскільки температурні зміни Dn тут майже лінійні, а спектральним діапазоном - 300…800 нм, оскільки дисперсія Dn тут нормальна і практично не залежить від l.

Запропоновано пристрій для вимірювання одновісних тисків на основі баричної залежності інверсії знака Dnі, подібно до того, як для задання і вимірювання температури використовують температурну залежність її спектрального положення.

Виходячи з відомої залежності спектрального положення ізотропної точки від тиску при фіксованій температурі датчика, за формою коноскопічної фігури, характерної для зразка одновісного кристала, перпендикулярного до оптичної осі, і за мінімумом фотоструму знаходять шукану величину sj. Проаналізовано чутливість датчика і його переваги над іншими. В якості кристалооптичного давача тиску пропонується використовувати кристал (NH4)2BeF4.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1. Вперше вирощено із водного розчину оптично якісні кристали RbKSO4 і RbNH4SO4.

2. Досліджено температурні (77-820 К) та спектральні (250-850 нм) залежності головних показників заломлення і двопроменезаломлення кристалів RbKSO4 та RbNH4SO4. Встановлено, що в розгляданій області спектра і температур дисперсія ni(l) нормальна і добре описується двоосциляторною формулою Зельмейєра. Виявлено одну ізотропну точку в кристалі RbNH4SO4 і три ізотропні точки в кристалі RbKSO4. Розраховані рефракції, електронні поляризовності, параметри ефективних ультрафіолетового й інфрачервоного осциляторів. На основі температурних залежностей ni(Т) і Dni(Т) виявлено фазові переходи 1-го роду при Т=116 К і Т=820 К в кристалах RbKSO4 і фазовий перехід 2-го роду при Т=120 К в кристалах RbNH4SO4.

3. Встановлено, що ізоморфна заміна у підгратці катіонів кристалів К2SO4, Rb2SO4, (NH4)2SO4 приводить до зміни температурного і спектрального положення та протяжності області ізотропного стану цих кристалів, а величина і знак змін визначаються хімічною природою та процентним вмістом катіонів, що вводяться в основну матрицю.

4. Досліджено вплив одновісних механічних тисків на двопроменезаломлення кристалів LiKSO4, (NH4)2BeF4, RbNH4SO4 і К2Ca(SO4)2.H2O; встановлено, що Dni достатньо чутливе до одновісних механічних тисків уздовж головних кристалофізичних осей; показано, що одновісний механічний тиск уздовж взаємноперпендикулярних кристалофізичних осей sj,m приводить до різних за знаком і величиною змін Dni (i, j, m = 1, 2, 3);

5. Встановлено, що одновісний механічний тиск уздовж головних кристалофізичних осей приводить до зміщення точок фазових переходів у сторону високих або низьких температур; баричні зміщення температур ФП пов'язують з впливом одновісних тисків на кристалічну структуру: sz сприяють обертанню тетраедрів BeF42- чи SO42- і підвищують температуру ФП, тиски sу і sх гальмують такі рухи і тим самим понижують температуру ФП; за характером баричних зміщень точки ФП в кристалі RbNH4SO4 передбачено поворот тетраедра SO42- навколо кристалофізичної осі Y.

6. Виявлено зникнення несумірної фази в кристалах LiKSO4 та (NH4)2BeF4 при дії тисків sz.

7. Досліджено спектральні (300-700 нм) і температурні (77-300 К) зміни комбінованих і абсолютних п'єзооптичних констант кристалів RbNH4SO4, LiKSO4, (NH4)2BeF4 і К2Ca(SO4)2.H2O. Встановлено, що в точці інверсії знака Dni підвищується симетрія тензора п'єзооптичних констант або зменшується його анізотропія.

8. Показано, що для кристалів LiKSO4, (NH4)2BeF4 сумарний п'єзооптичний ефект у несумірній фазі визначається "істинним" п'єзооптичним ефектом і вторинними вкладами від параметрів порядку dDnk/d(wr2) і спонтанної деформації dDnk/dcs. Розраховано коефіцієнти матриць абсолютних п'єзооптичних констант кристалів RbNH4SO4 і (NH4)2BeF4.

9. Досліджено вплив одновісного механічного тиску на точки інверсії знака двопроменезаломлення кристалів LiKSO4, (NH4)2BeF4, К2Ca(SO4)2.H2O і RbNH4SO4, побудовано температурно-спектрально-баричні діаграми їх одновісного стану. Запропоновано новий матеріал (RbNH4SO4) для вимірювання температури за інверсією знака двопроменезаломлення в діапазоні 150-500 К.

10. Запропоновано пристрій для вимірювання одновісних тисків на основі баричної залежності інверсії знака двопроменезаломлення кристала (NH4)2BeF4.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Стадник В.И., Романюк Н.А., Брезвин Р.С., Курляк В.Ю. RbNH4SO4 - новый кристалл с инверсией двупреломления //Опт. и спектр.-1994.-Т.77, №5.-С.830-832.

2. М.О.Романюк, В.Й.Стадник, Р.С.Брезвін. Вплив тиску на оптичні властивості кристалів LiKSO4 //Укр. фіз. журнал.- 1995. -Т.40, №10.-С.1068-1070.

3. Стадник В.И., Романюк Н.А., Брезвин Р.С. Пьезооптические константы кристаллов LіKSO4 в несоразмерной фазе //Опт. и спектр.-1995.-Т.79, №6.-С.714-717.

4. Романюк Н.А., Стадник В.И., Брезвин Р.С., Кардаш В.И. Инверсия двупреломления в кристаллах RbNH4SO4 и RbKSO4 //Кристаллография.-1996.-Т.41, №5.-С.882-886.

5. Стадник В.И., Романюк Н.А., Брезвин Р.С., Курляк В.Ю. Механически индуцированные изменения двупреломляющих свойств кристаллов (NH4)2BeF4 //Опт. и спектр.-1996.-Т.81, №4.-С.667-669.

6. Romanjuk M.O., Stadnyk V.Y., Brezvin R.S. Optical-electron parametrs of RbNH4SO4 crystals //Ferroelectrics.-1997.-V.192, №1-4.-Р.203-207.

7. Стадник В.И., Романюк Н.А., Брезвин Р.С. Новый оптический способ измерения давления с использованием инверсии двупреломления кристалла (NH4)2BeF4 //ЖПС.-1997.-Т.64, №3.-С.426-429.

8. Романюк М.О., Стадник В.Й., Брезвін Р.С. Деформація оптичної індикатриси (NH4)2BeF4 під дією одновісного тиску //Укр. фіз.журнал.-1997.-Т.42, №3.-С.334-337.

9. Stadnyk V.Y., Brezvin R.S., Romanjuk M.O. Optical method of pressure measurements using the birefringence inversion //Functional materials.-1997.-V.4, №1.-P.97-99.

10. Стадник В.И., Романюк Н.А., Брезвин Р.С., Кардаш В.И. Механически индуцированное изменение двупреломления кристаллов LiKSO4 //Кристаллография.-1997.-Т.42, №4.- С.720-722.

11. Андрієвський Б.В., Брезвін Р.С., Романюк Г.М. Баричні зміни оптичної індикатриси кристалів K2Ca(SO4)2.H2O у районі інверсії знака двопроменезаломлення //Укр. фіз. журнал.-2000.-Т.45, №6.-С.701-704.

Брезвін Р.С. Вплив одновісних тисків на рефракційні властивості кристалів групи А2ВХ4 з інверсією знака двопроменезаломлення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01. 04. 05 - оптика, лазерна фізика - Інститут фізичної оптики Міністерства освіти і науки України, Львів, 2000.

Захищається 21 наукова робота, у яких представлені температурні (77-800 К), спектральні (300-850 нм) та баричні залежності показників заломлення, двопромене-заломлення та інверсії знака двопроменезаломлення кристалів LiKSO4, (NH4)2BeF4, RbNH4SO4, RbKSO4 і K2Ca(SO4)2.H2O.

Виявлено нові точки ІЗД та нові фазові переходи, баричне витіснення несумірної фази, баричне зміщення точки інверсії знака двопроменезаломлення та досліджено баричні залежності точок фазових переходів.

Розраховано параметри формули Зельмейєра, електронну поляризовність, питомі рефракції та їх залежності від заміщень у підгратці катіонів та аніонів.

Запропоновано матеріал для кристалооптичного датчика температури та метод для вимірювання тиску на базі інверсії знака двопроменезаломлення.

Ключові слова: показники заломлення, двопроменезаломлення, п'єзооптичні константи, фазові переходи, інверсія знака двопроменезаломлення, несумірна фаза, одновісні механічні тиски, баричні зміщення.

Брезвин Р.С. Влияние одноосных напряжений на рефракционные свойства кристаллов группы А2ВХ4 с инверсией знака двупреломления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика. - Институт физической оптики Министерства образования и науки Украины, Львов, 2000.

Защищается 21 научная работа, в которых представлены температурные (77-800 К), спектральные (300-850 нм) и барические зависимости показателей преломления, двупрелом-ления и инверсии знака двупреломления кристаллов LiKSO4, (NH4)2BeF4, RbNH4SO4, RbKSO4 и K2Ca(SO4)2.H2O.

Обнаружено новые фазовые переходы, барическое вытеснение несоразмерной фазы, барическое смещение точки инверсии знака двупреломления та исследовано барические зависимости фазовых переходов.

Рассчитано параметры формулы Зельмейера, электронную поляризуемость, удельные рефракции и их зависимость от замещения в подрешетке катионов и анионов.

Предложено материал для кристаллооптического датчика температуры и метод для измерения напряжений на базе инверсии знака двупреломления.

Ключевые слова: показатель преломления, двупреломление, пьезооптические константы, фазовые переходы, инверсия знака двупреломления, несоразмерная фаза, одноосные механические напряжения, барическое смещение.

Brezvin R.S. The influence of uniaxial pressures on the refractional properties of A2BX4 group crystals with birefringence sign inversion.

Thesis for a candidate’s degree by speciality 01.04.05 - optics, laser physics. - Institute for Physical Optics of Ministry of education and science of Ukraine, Lviv, 2000.

21 scientific works are defended, in which the results of growth and investigations of thermal (77-820 K) and spectral (300-800 nm) dependencies of refractive indices and birefringence for RbNH4SO4 and RbKSO4 crystals, the influence of uniaxial mechanical pressures along the main crystallophysical axes on the birefringence properties, spectral and thermal changes of combined and absolute piezooptical constants for LiKSO4, RbNH4SO4, (NH4)2BeF4 and K2Ca(SO4)2.H2O crystals are presented.

It is ascertained that in the spectral region 300-800 nm the dispersion of refractive indices ni(l) for RbNH4SO4 and RbKSO4 crystals is normal (i=X,Y,Z) and described well by two-oscillator Zellmeer’s formula. On the basis of experimental dependencies ni(l) the electron polarizability ai and specific refraction Ri for these crystals are calculated, as well as effective parameters of Zellmeier’s formula. In the work the changes of refractive index, electron polarizability, and specific refraction for A2BX4 crystals at cationic and anionic substitutions are analysed. The isotropic point and second-order phase transition at T=120 K in RbNH4SO4 crystals, as well as three isotropic points and two first-order phase transitions (T=116 K and T=820 K) in RbKSO4 crystals are founded.

It is ascertained that uniaxial mechanical pressure along the main crystallophysical axes sj,m leads to different by sign and value changes of birefringence Dni (i, j, m = 1, 2, 3) and to the displacement of phase transition points to the side of high or low temperatures. It is shown that uniaxial pressures sx and sy lead to the expansion of IP and to the displacement of temperature region of its existence to the side of lower temperatures. The uniaxial pressure sz leads to the constriction of IP. The “triple” point at the influence of pressures sz was found in LiKSO4 and (NH4)2BeF4 crystals. The baric displacements of the IP temperatures are connected with the influence of uniaxial pressures on the crystal structure: sz subserve the turning of BeF42- or SO42- tetrahedrons and increase the temperature of IP, while the sy and sx pressures brake the turning of tetrahedrons and in this way decrease the IP temperature. The turn of SO42- tetrahedron around crystallophysical Y-axis in XY-plane was foreseen by the character of baric displacements of the phase transition’s point in RbNH4SO4 crystal.

For LiKSO4, (NH4)2BeF4 crystals the total piezooptical effect in incommensurate phase is defined by “true” piezooptical effect and secondary deposits of the order parameter dDnk/d(wr2) and spontaneous deformation dDnk/dcs. It is shown that the anisotropy of piezooptical constants’ tensor decreases in the point of the birefringence sign inversion. The matrices of absolute piezooptical constants are calculated for the RbNH4SO4 and (NH4)2BeF4 crystals.

The influence of uniaxial mechanical pressure on the behaviour of the birefringence sign inversion point for LiKSO4, (NH4)2BeF4, RbNH4SO4 and K2Ca(SO4)2.H2O crystals is investigated. The temperatute-spectral-baric diagrams of the birefringence sign inversion point for these crystals are built. The RbNH4SO4 crystal is proposed as the material for the temperature transducer in the 150-500 K region; the method and material for uniaxial pressures measurements in 0-330 bar region also are proposed ( (NH4)2BeF4 crystal ).

Key words: refractive index, birefringence, piezooptical constants, phase transitions, birefringence sign inversion, incommensurate phase, uniaxial mechanical pressures, baric displacement.