Муниципальное общеобразовательное учреждение «Лицей №26»
городского округа Саранск
«Оптические характеристики фторидных лазерных кристаллов и керамики».
Работа выполнена
Абрамовой Ольгой Павловной,
ученицы 10 «П» класса МОУ «Лицей №26».
Научный руководитель:
,
к. ф-м наук, доцент кафедры общей физики
ИФХ МГУ им. .
2010-2011 уч. год
Содержание.
Цели, задачи учебно-исследовательской работы ______________ с. 3
Введение___________________________________________________ с. 5
Глава 1. Теоретические основы эксперимента
1.1 Способы получения керамики CaF2_________________________с.6
1.2 Структура керамики CaF2_______________________________ с.8
1.3 Описание экспериментальной методики определения показателя преломления с.10
Глава 2 Опытно-экспериментальная работа по исследованию оптических характеристик фторидных лазерных кристаллов
и керамики _______________________________________________ с 14
2.1 Определение показателя преломления методом призмы.__________________________________________ с.14
2.2 Определение средней дисперсии и числа Аббе из дисперсионных зависимостей n(
) для монокристаллов и керамики CaF2._____ с. 16
Выводы___________________________________________________ с.17
Список используемой литературы__________________________ с.18
Цель учебно-исследовательской работы: исследование оптических характеристик монокристаллов и керамики на основе СaF2
Задачи учебно-исследовательской работы:
-определить показатель преломления монокристаллов и керамики CaF2 для значений длин волн, соответствующих линиям излучения ртути в видимом диапазоне спектра.
-определить среднюю дисперсию и число Аббе из дисперсионных зависимостей n(
) для монокристаллов и керамики CaF2.
-провести сравнительный анализ оптических характеристик для монокристаллов и керамики CaF2 .
Актуальность проблемы
Перспективность использования керамических материалов обусловлена многими факторами, среди которых наиболее важны следующие:
1. Керамика отличается исключительным многообразием свойств по сравнению с другими типами материалов.
2.Важным достоинством керамики является высокая доступность сырья.
3.Производство керамики, как правило, не загрязняет окружающую среду в такой мере, как металлургия, а сами керамические материалы позволяют принимать экологически оправданные технологические и технические решения.
4.Получение керамики обычно более безопасно, чем производство альтернативных металлических материалов, а керамика с специальными электрическими свойствами позволяет создать высокоэффективные противопожарные системы и системы предупреждения взрывов.
5.Технология получения конструкционной керамики менее энергоёмка, чем производство альтернативных металлических материалов.
6.Керамические материалы по сравнению с металлами обладают более высокими коррозионной стойкостью и устойчивостью к радиационным воздействиям, что обусловливает долговечность керамических конструкций в агрессивных средах.
7.Керамические материалы обладают большей биологической совместимостью, чем металлы и полимеры, и это позволяет использовать их в медицине, как для имплантации искусственных органов, так и в качестве конструкционных материалов в биотехнологии и генной инженерии.
8.Использование керамики открывает возможность для создания разнообразных по свойствам материалов в пределах одной и той же химической композиции.
Гипотеза исследования:
Оптические характеристики керамики CaF2 аналогичны соответствующим характеристикам монокристаллов CaF2.
Введение.
Одним из серьезных инновационных достижений последних лет в области лазерных материалов является разработка оксидной лазерной керамики на основе алюмоиттриевого граната и оксида иттрия, по своим спектрально-генерационным характеристикам практически не уступающей монокристаллам.
В мире современных материалов керамики принадлежит заметная роль, обусловленная широким диапазоном её разнообразных физических и химических свойств. Керамика не окисляется и устойчива в более высокотемпературной области, чем металлы, например температура плавления карбида гафния (3930 oС) на 250 o выше, чем у вольфрама. У распространённых керамических материалов (оксидов алюминия, магния, тория) термическая устойчивость намного превышает устойчивость большинства сплавов.
Множество материалов с оптическими функциями включает оптически прозрачную керамику, керамику с люминесцентными и электрохомными свойствами, а также светочувствительные керамические материалы. Первые сообщения о создании прозрачного керамического материала на основе оксида алюминия появились 30 лет назад. В настоящее время известно несколько десятков, если не сотен видов прозрачных керамик, создаваемых на основе индивидуальных оксидов, их соединений друг с другом, а также бескислородных соединений.
Важными физическими характеристиками керамики на основе СaF2 являются её оптические характеристики.
Преимущества лазерной керамики перед монокристаллами заключаются в возможности получении больших заготовок с повышенным содержанием и равномерным распределением активатора, улучшенными механическими характеристиками, а также получения лазерных материалов из тех веществ, для которых выращивание монокристаллов затруднено.
Глава 1. Теоретические основы эксперимента.
1.1 Способы получения керамики CaF2.
Создание генерационных сред на основе прозрачных поликристаллических материалов является одним из важнейших достижений современного люминесцентного материаловедения. Светопропускающая керамика известна с середины прошлого века и находит применение в основном в качестве конструкционных материалов и элементов пассивной оптики — оболочки натриевых ламп высокого давления, оптических окон, линз и т. д. Сравнительно недавно многолетние усилия двух японских научных групп привели к разработке технологии изготовления прозрачных керамик на основе Y3Al5O12 и оксидов редкоземельных элементов RE2O3 (RE = Y, Sc, Gd, Lu) , активированных ионами Ln3+. Оптические характеристики полученной керамики позволяют использовать ее в качестве элементов лазерной техники. Было показано, что оптические керамики превосходят соответствующие монокристаллы по своим физическим свойствам, функциональным и эксплуатационным характеристикам, а технология их изготовления в ряде случаев более экономична по сравнению с процессом выращивания монокристаллов традиционными ростовыми методами. Традиционный подход к созданию оптической керамики основан на использовании методов горячего изостатического прессования или вакуумного спекания нанопорошков. Спекание осуществляют в области довольно высоких (0,7Тпл) температур, при которых процессы собирательной рекристаллизации становятся активными, вследствие чего размер зерен керамики может достигать десятков микрометров. Альтернативный способ создания оптических керамик состоит в получении поликристаллического материала с размером зерен намного меньше длины волны видимого света, т. е. наноструктурированной керамики. Очевидно, высокий уровень светопропускания керамики может быть достигнут при соблюдении указанных выше требований к особенностям ее структуры. Известно, что свойства керамики во многом определяются свойствами исходных порошков.
Существует несколько методов пригодных для получения материалов с наноразмерным зерном: скоростное горячее изостатическое прессование, неизотермическое спекание, спекание ковкой и др. Недавно польские специалисты получили наноструктурированную оптическую керамику Y3Al5O12:Nd3+ с коэффициентом пропускания 50 % на длине волны 1064 нм методом низкотемпературного спекания при высоком давлении. Спекание при высоком давлении позволяет консолидировать нанопорошки за счет возникающих сжимающих и сдвиговых деформаций, способствующих разрушению агломератов, взаимному перемещению частиц и уменьшению пористости компактов. Этот метод является перспективным для изготовления высокоплотной керамики с одновременной возможностью управления ее структурой на наноуровне.
Рис.1 Керамика Y3Al5O12, полученная методом низкотемпературного спекания в течение 30С при давлении 7,7 ГПа и температуре 250 (1), 350 (2), 450 (3), 550 (4) °С; толщина таблетки — 1 мм.
1.2 Структура керамики CaF2
Получение прозрачной керамики требует использования высокодисперсных, активных к спеканию порошков, имеющих средние размеры, не более 30 нм.
Методом горячего прессования получена прозрачная керамика на основе
нанопорошка LuYO3, перспективная для разработки сцинтилляторов и создания матриц для твердотельных квантовых генераторов. С целью получения шихты, из которой затем изготовляли керамику, использовали исходные оксиды Lu2O3 и Y2O3, взятые в стехиометричском соотношении. Смесь оксидов перетирали и прессовали при давлении 35 МПа, а затем обжигали при температуре 1200 °С. Полученные таблетки, содержащие смесь фаз LuYO3 и Y2O3, использовали в качестве мишени для мощного импульсного СО2-лазера со средней мощностью в импульсе 665 Вт. Производительность лазерной установки составляла 60 г/час. В результате лазерного испарения мишени получали нанопорошки данных оксидов с размерами в диапазоне 2-28 нм. По данным рентгеновского анализа, выполненного методом Ритвельда, образцы керамики представляли собой твердый раствор состава Y2 (1-x)Lux203 с кубической решеткой (параметр a = 5.2584 A, V = 145.398 A3, Bragg R-factor: 1.07).
Таким образом, физико-химические условия получения прозрачной керамики из нанопоршка приводят к распаду фазы LuYO3 и образованию указанного твердого раствора. В настоящее время изучаются физико-химические свойства полученного твердого раствора и возможности его использования в лазерной технике и дозиметрии ионизирующего излучения.
Рис. 2. Микрофотографии нанопорошков смеси оксидов Y2O3 и LuYO3.
Рис. 3 Электронно-микроскопическое изображение скола образца искусственной керамики CaF2
1.3 Описание методики эксперимента.
Измерения проводились с помощью гониометра ГС-5.
Гониометр — оптический прибор, служащий для точного измерения углов. Точность измерения углов с помощью гониометра ГС-5 составляет 5 угловых секунд.
Рис.4. Эскиз гониометра-спектрометра ГС-5.
Прибор состоит из следующих основных узлов: зрительной трубы 1 коллиматора 2, основания 3 с осевой системой и столика 4. Зрительная труба и коллиматор представляют собой телескопические системы с внутренней фокусировкой, осуществляемой маховичками 5,6 по шкалам 7,8, на которых имеются индексы и деления.
Коллиматор дает параллельный пучок лучей. Винты 9,10 служат для юстировки внутренних осей по вертикали. На коллиматоре 2 имеется спектральная щель 11, а на зрительной трубе-автоколлимационный окуляр 12. Винты 13 служат для установления вертикальной оси столика, 14 - зажимные устройства столика, 15 - окуляр отсчетного устройства. В окуляр 15 рассматривают одновременно изображение штрихов лимба и шкалу микрометра (справа в окошечке) Чтобы снять отсчет необходимо маховичок 16 повернуть настолько, чтобы верхние и нижние изображения штрихов совместились. Число градусов будет равно видимой ближайшей левой от вертикального штриха цифре. Число десятков минут равно числу интервалов, заключенных между верхним штрихом, который соответствует отсчитанному числу градусов, и нижним оцифрованным штрихом, отличающимся от верхнего на 1800. Число единиц минут и секунд отсчитываются по шкале микрометра в правом окне.
Рис. 5 Поле зрения отсчетного микроскопа.
Рис. 6 Окуляр зрительной трубы(а), коллимационная сетка А(б), отсчетный крест С, окуляр (в).
Совмещенные изображения обоих крестов рассматриваются через окулярные линзы. Резкость видимого изображения отсчетного креста регулируется вращением оправы окуляра. Важнейшим узлом гониометра является устройство, служащее для отсчета угла поворота зрительной трубы вокруг вертикальной оси, проходящей через центр столика. На этой оси крепится прозрачное кольцо (лимб), расположенное в корпусе прибора. На поверхности лимба нанесена шкала с делениями. Лимб разделен на 1080 делений. Цена деления 20'. Оцифровка делений проведена через 1°. Шкалу лимба можно наблюдать через окуляр отсчетного устройства при включенном освещении прибора. Выключатель расположен на нижней части основания. Резкость изображения шкалы регулируется вращением оправы окуляра.
Оптическая система отсчетного устройства собрана так, что через окуляр можно наблюдать изображения штрихов двух диаметрально противоположных участков лимба, причем одно изображение прямое, а другое — перевернутое. Кроме того, оптическая система позволяет перемещать эти изображения друг относительно друга, оставляя в покое, как лимб, так и алидаду со зрительной трубой. Это перемещение изображений измеряется при помощи оптического микрометра.
Рис.7 Общий вид гониометра ГС-5.
1.4 Определение показателя преломления методом призмы.
Рис.7 Ход луча в треугольной призме
Преломление света в гониометре происходит в результате прохождения светового луча через треугольную призму. На рисунке 7 показан ход луча в такой призме. К основным оптическим характеристикам среды относится показатель преломления, значение которого зависит от преломляющего угла призмы и угла наименьшего отклонения.
Показатель преломления кристалла можно определить по формуле:
где А — преломляющий угол призмы, 
— угол наименьшего отклонения.
Формула 1.
Глава 2 Опытно-экспериментальная работа по исследованию оптических характеристик фторидных лазерных кристаллов и керамики
2.1 Использование методики определение показателя преломления методом призмы.
Исследуя оптические характеристики фторидных лазерных кристаллов и керамики, автор работы получил зависимости показателя преломления от длины световой волны. Результаты исследования для керамики CaF2. и монокристалла CaF2 представлены в таблицах (1) и (2).
Керамика CaF2.
Окраска линии |
| n |
Фиолетовый | 404,66 | 1,4414± 0,0002 |
Синий | 435,83 | 1,4394± 0,0002 |
Голубой | 491,60 | 1,4366±0,0002 |
Зеленый | 546,07 | 1,4348± 0,0002 |
Желтый | 576,96 | 1,4338± 0,0002 |
Таблица 1.
Монокристалл CaF2.
Окраска линии |
| n |
Фиолетовый | 404,66 | 1,4414±0,0002 |
Синий | 435,83 | 1,4394±0,0002 |
Голубой | 491,60 | 1,4368±0,0002 |
Зеленый | 546,07 | 1,4349±0,0002 |
Желтый | 576,96 | 1,4340±0,0002 |
Таблица 2.
С использованием данных, представленных в таблице, получены следующие зависимости показателя преломления от длины волны для керамики и монокристалла CaF2.
Рис. 8 Дисперсионная зависимость n(л) для керамики CaF2.
Рис.9 Дисперсионная зависимость n(л) для монокристалла CaF2.
2.2 Определение средней дисперсии и числа Аббе из дисперсионных зависимостей n(
) для монокристаллов и керамики CaF2.
При определении средней дисперсии и числа Аббе автор работы использовал формулы для определения основной средней дисперсии и числа Аббе.
Основная средняя дисперсия.
Формула 2
nF и nC – показатели преломления на длинах волн 479,99 нм и 643,85 нм.
Число Аббе.
Формула 3
Полученные результаты представлены в таблице (3).
CaF2. монокристалл | CaF2 керамика | |
n осн. | 1,4349± 0,0002 | 1,4348± 0,0002 |
D | 0,005 | 0,005 |
| 86,98 | 86,96 |
Таблица 3.
Выводы.
В ходе выполнения работы получила следующие результаты:
1. С помощью гониометра ГС-5 методом призмы измерены значения показателей преломления монокристаллов и керамики CaF2.
2. Получены дисперсионные зависимости n(л) для монокристалла и керамики CaF2.
3. Определенны оптические константы для монокристалла керамики CaF2 (средняя дисперсия, число Аббе).
4. В результате следующего анализа установлено, что оптические характеристики монокристаллов и керамики CaF2 аналогичны друг другу.
Список используемой литературы.
1., , и др.// Кристаллография. Т.48.№3.С.362
2.Гегузин спекания. М.:Наука.1967.С.360.
3., , Стафеев .2002.С.14-17.
4.Нищев практикум по общей физике. Оптика.
5.Воротников, и химия: универсальная энциклопедия школьника./-Минск:Харвест,1995-544с.
6.Прохоров, энциклопедический словарь./-М: «Большая Российская энциклопедия»,1998-944с.
7., Китайгородский для всех. Электроны./Л, Д, Ландау, -М:Наука,1984-208с.
8.Гл. ред. Аксенова для детей. Т. 14. Техника./-М: Аванта+,2000-688с.
9. Гл ред Аксенова для детей. Физика./-М:Аванта+,2001-448с.
10. , Усова преподавания физики в 11 класса средней школы/ , -М:Просвещение,1972-416с.
11. Терентьев эксперимент по физике./-М:Просвещение,1978-253с.
12.Шабловский, В. Занимательная физика/В. Шабловский-С-Петербург:Тригон,1997
13. Кудрявцев физики 2 том./ -М:Уч, Пед. Гиз,,1956-485с.
14. , Каретин школьника/ -С-Петербург:Весь,2003-701с.
