АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 54, № 5, с. 748-755
^=ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА ^
УДК 534.2; 538.9
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЗАТУХАНИЯ УЛЬТРАЗВУКА В ФОТОХРОМНЫХ СТЕКЛАХ С НАНОКРИСТАЛЛАМИ
ХЛОРИДА МЕДИ
© 2008 г. А. Л. Пирозерский, Е. В. Чарная, М. И. Васильев, Е. Л. Лебедева
НИИ физики Санкт-Петербургского государственного университета 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская 1 E-mail: charnaya@paloma.spbu.ru, piroz@yandex.ru Поступила в редакцию 2.10.07 г.
Представлены результаты акустооптических измерений коэффициента затухания продольных ультразвуковых волн в галоидно-медных фотохромных стеклах в широком температурном (140-550 K) и частотном (190-790 МГц) диапазонах. В низкотемпературной области (T < 230 K) на частоте 629 МГц обнаружен широкий релаксационные пик, связанный, по-видимому, с движением ионов меди в сетке стекла. В высокотемпературной области, вплоть до 550 К, коэффициент затухания не зависит от температуры. Наличие температурного плато объясняется в рамках модели двухуровневых систем с малой асимметрией.
PACS: 43.35.Fj; 43.35.Fj; 61.43.Fs; 63.30.Pa
ВВЕДЕНИЕ
К настоящему времени опубликовано большое количество работ, посвященных изучению оптических и нелинейно-оптических свойств фотохромных стекол (ФХС), а также влиянию условий синтеза на кинетику образования и роста фоточувствительной нанокристаллической фазы (см. [1-4] и ссылки в них). В тоже время акустические свойства ФХС значительно менее изучены.
В работе [5] проведены измерения скорости продольных ультразвуковых волн в ФХС с нано-кристаллами СиС1 импульсно-фазовым методом на частотах от 10 до 20 МГц в температурном диапазоне 20-340°С. Обнаружен гистерезис скорости ультразвука в окрестности фазового перехода плавление-кристаллизация нанокристаллов, причем величина гистерезиса зависела от условий вторичной термообработки.
В работе [6] были получены частотные зависимости коэффициента затухания продольных и поперечных ультразвуковых волн в ФХС с различными размерами нанокристаллов хлорида меди (60-105 А). Измерения проводились акустооптиче-ским методом на частотах 80-800 МГц при температурах 15-300°С. В образцах с большой длительностью термообработки помимо релаксационного и ахиезеровского вкладов было обнаружено дополнительное затухание, которое авторы связывают с рэлеевским рассеянием на упругих неодно-родностях, возникших при термообработке. Наличие неоднородностей с характерным размером
250 нм было подтверждено измерениями индикатрисы светорассеяния.
В работах [7-9] начаты акустооптические исследования ФХС с нанокристаллами СиС1 (средний радиус 20-35 А). Было обнаружено возрастание поглощения ультразвука при температурах ниже 220 К, которое интерпретировалось как высокотемпературное крыло релаксационных пиков, обусловленных акустоионным взаимодействием, предположительно связанным с движением ионов меди в сетке стекла. Кроме того, было обнаружено температурное плато коэффициента поглощения частоте 409 МГц выше комнатной температуры вплоть до 550К.
В настоящей работе представлены результаты продолжения исследований, начатых в [7-9]. При этом расширены частотный диапазон высокотемпературных и низкотемпературных измерений, а в качестве объектов исследований использовались также ФХС с радиусом нанокристаллов 4060 А. Проведенная автоматизация экспериментальной установки позволила повысить точность измерений. На частоте 629 МГц обнаружен релаксационный максимум при температуре около 140 К, что подтверждает предположения, выдвинутые в [7-9]. Полученные данные позволяют объяснить наблюдаемые особенности затухания ультразвука.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАЗЦЫ
Нами исследовались два образца ФХС, полученных на основе натриево-алюмо-боро-силикат-
ного стекла (14.3 mol. % Na2O, 6% Al2O3, 26.6% B2O3, 53.1% SiO2) с добавками CuO и NaCl. Образцы отличались условиями вторичной термообработки, и, соответственно, размером нанокристал-лов CuCl. Образец № 1 выдерживался 4 часа при температуре 520 K, затем 1 час при 580 K, средний размер нанокристаллов составлял 20-35 А. Образец № 2 сначала выдерживался 1 час при 580 K, потом 4 часа при 520 K, средний размер нанокри-сталлов был 40-60 А.
Образцы представляли собой параллелепипеды с размером 10 х 10 х 5 мм с отполированными до оптического качества гранями.
Температурные зависимости затухания продольных ультразвуковых волн измерялись методом дифракции Брэгга света на ультразвуке [10]. Общая схема экспериментальной установки описана в [8, 9].
В настоящей работе использовались акустооп-тические ячейки 3 типов: для частотных (при комнатной температуре), низкотемпературных и высокотемпературных измерений. Конструкция низкотемпературной ячейки приведена в [7, 8]. Высокотемпературная ячейка представляла собой печь в виде керамической трубы с прорезями для ввода и вывода оптического излучения и подвода СВЧ-сигнала на пьезопреобразователь. Поверх трубы была намотана нихромовая спираль сопротивлением 50 Ом, которая, для обеспечения теплового контакта и механического крепления, была залита смесью на основе силикатного клея и окиси алюминия. Внутри трубы помещался латунный термостат с исследуемым образцом. Температура контролировалась с помощью термопары медь-константан. Вся конструкция помещалась в стальной корпус, заполненный теплоизолирующим материалом (асбестовой крошкой). Оптические окошки, расположенные с наружной стороны корпуса, были сделаны съемными для обеспечения возможности отвода паров воды при переходе через точку кипения.
Акустооптические ячейки размещались на подвижной платформе, обеспечивающей возможность перемещения образца относительно лазерного луча в горизонтальном направлении (т.е. в направлении распространения ультразвука) с точностью 0.01 мм. Платформа приводилась в движение с помощью шагового двигателя. Система плоских зеркал позволяла перемещать лазерный луч относительно образца и в вертикальной плоскости.
Для автоматизации экспериментальной установки используется специализированная PCI-пла-та обработки данных и управления. Плата содержит двухканальный 10-разрядный быстродействующий АЦП с частотой дискретизации 50 МГц, буферную память емкостью 256 K от-
счетов на канал, два "медленных" 16-разрядных АЦП и ЦАП, и 4-х канальный контроллер шаговых двигателей.
Один из каналов быстродействующего АЦП подключался к фотоприемнику на основе ФЭУ-79 через повторитель, второй мог использоваться для контроля мощности лазерного излучения или амплитуды возбуждающего СВЧ импульса. Медленные АЦП использовались для измерения сигнала с термопары, ЦАП - для управления нагревателями измерительных ячеек и азотным испарителем.
Для управления установкой было разработано программное обеспечение, реализующее несколько режимов накопления данных и последующей статистической обработки, и позволяющее проводить измерения в полуавтоматическом режиме.
Погрешности измерений определялись в основном качеством обработки оптических граней образцов, неоднородностью образцов, нестабильностью мощности лазерного излучения, амплитуды и частоты сигнала СВЧ, а также механическими деформациями в конструкции ячеек в процессе измерения, связанными с изменениями температуры.
Наличие фотохромного эффекта вносило дополнительные погрешности в результаты измерений. Для их минимизации интенсивность лазерного излучения выбиралась небольшой, но все же достаточной для уверенной регистрации измеряемого сигнала при работе в области образца, наиболее удаленной от пьезопреобразователя, а в перерывах между измерениями лазерный луч перекрывался. Кроме того, время экспозиции в каждой точке вдоль направления распространения ультразвука выбиралось приблизительно одинаковым.
Приводимые ниже значения коэффициента затухания ультразвука являются средними значениями для серии однотипных измерений. Погрешность, оцениваемая по разбросу, достигала ±2 Дб/см.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 1 представлены температурные зависимости коэффициента затухания продольных ультразвуковых волн с частотами 409 МГц и 629 МГц в образце № 1 в низкотемпературной области. На обеих частотах наблюдается возрастание затухания при температурах ниже 220-230 К, на 629 МГц виден релаксационный максимум при Т ~ 140 К. При температурах выше 240 К затухание не менялось в пределах погрешности измерений.
а, дБ/см
70
60
50
629 МГц 409 МГц
40
30
140 160 180 200 220 240 260 280 Т, К
Рис. 1. Температурная зависимость коэффициента затухания продольных ультразвуковых волн в образце № 1 в низкотемпературной области на частотах 409 и 629 МГц. Сплошные и пунктирные линии - теоретическая аппроксимация, выполненная методом наименьших квадратов для различных наборов исходных данных, как описано в разделе 4.
а, дБ/см 30
25
191 МГц 407 МГц
20 -
15
•■■-■.Л*-»-. %
300
350
400
450
500
550 Т, К
Рис. 2. Температурная зависимость коэффициента затухания продольных ультразвуковых волн в образце № 1 в высокотемпературной области на частотах 191 и 407 МГц.
В высокотемпературной области измерения проводились на частотах 191 и 407 МГц. Коэффициент затухания на обеих частотах оставался постоянным в пределах погрешности измерений во всем температурном интервале 300-550 К (рис. 2).
На рис. 3 представлена частотная зависимость коэффициента затухания а ультразвука при ком-
натной температуре в образцах № 1 и 2. Аппроксимация по методу наименьших квадратов степенной функцией а = Ашъ (здесь ш = 2п/- круговая частота ультразвука), дает Ъ = 1.2 для образца № 1 и Ъ = 1.4 для образца № 2.
Дополнительно были проведены измерения коэффициента акустооптического качества М2 образ-
ца № 1 при комнатной температуре для продольной ультразвуковой волны на частоте 191 МГц. Измерения проводились модифицированным методом Диксона с однократным прохождением звука через образец [11], в качестве эталона использовался кристалл ниобата лития. Этот метод позволяет измерять М2 в образцах с большим затуханием, однако требует знания коэффициента у потерь акустической энергии в склейке. Значения у для некоторых типов склеек в зависимости от частоты приведены в [11], в рассматриваемом случае (эп
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.