【摘要】：在沖擊波動(dòng)態(tài)高壓領(lǐng)域中,用輻射法測(cè)量非透明材料的沖擊溫度以及采用任意反射面速度干涉儀(velocity interferometer system for any reflector,VISAR)、任意反射面位移干涉儀(Displacement Interferometer System for Any Reflector,DISAR)等激光干涉測(cè)速技術(shù)測(cè)量受沖擊樣品中的粒子速度都需要用到透明的光學(xué)窗口。為了正確解讀上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),需要獲得不同沖擊壓力下窗口材料的透明性和折射率信息。藍(lán)寶石晶體(Al_2O_3)由于具有較高的熔點(diǎn)、強(qiáng)度和沖擊阻抗以及良好的光學(xué)透明性,常被作為窗口材料廣泛應(yīng)用于動(dòng)高壓實(shí)驗(yàn)中。因此,探究沖擊壓縮下藍(lán)寶石透明性變化的物理機(jī)理及其折射率的變化規(guī)律有非常重要的科學(xué)意義。近年來(lái),人們已從理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)沖擊壓縮下Al_2O_3的透明性和折射率性質(zhì)做了較多研究,但對(duì)其沖擊透明性的晶向效應(yīng)特征研究還較少。另外,在加窗界面速度測(cè)量中,由于不同晶向藍(lán)寶石的沖擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性存在差異,而實(shí)驗(yàn)中也可能采用不同晶向的晶體樣品,因此探究藍(lán)寶石沖擊折射率的晶向效應(yīng)也非常重要。與此同時(shí),藍(lán)寶石其它沖擊光學(xué)性質(zhì)(例如,能量損失譜等)的晶向效應(yīng)也需要研究,其結(jié)果可能對(duì)未來(lái)的實(shí)驗(yàn)探究有重要的參考作用。根據(jù)上述分析,本課題的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:(1)基于第一性原理方法,在180 GPa壓力范圍內(nèi)分別計(jì)算了Al_2O_3理想晶體及缺陷晶體的吸收譜和折射率性質(zhì)。計(jì)算結(jié)果表明:1)若僅考慮壓力和溫度兩個(gè)因素,藍(lán)寶石的光吸收譜數(shù)據(jù)不能解釋沖擊消光實(shí)驗(yàn)結(jié)果,而沖擊誘導(dǎo)產(chǎn)生的氧離子空位點(diǎn)缺陷或許才是引起上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要原因之一;2)532 nm波長(zhǎng)處Al_2O_3晶體折射率數(shù)據(jù)指明,兩個(gè)結(jié)構(gòu)相變將使得其折射率顯著升高。在Corundum與Rh_2O_3兩個(gè)結(jié)構(gòu)相區(qū),藍(lán)寶石的折射率隨壓力增加而減小。在CalrO_3結(jié)構(gòu)相區(qū),壓力低于172 GPa時(shí),藍(lán)寶石折射率隨著壓力增加降低的程度反而越來(lái)越小;壓力超過(guò)172 GPa時(shí),其折射率隨著壓力增加而慢慢升高。另外,空位點(diǎn)缺陷因素對(duì)折射率隨壓力的變化規(guī)律有較大影響。(2)在255 GPa壓力范圍內(nèi),采用第一性原理方法分別計(jì)算了a向、c向和r向藍(lán)寶石理想晶體和含氧離子空位缺陷晶體的光吸收譜性質(zhì)。結(jié)果表明:在Corundum相區(qū),藍(lán)寶石吸收性的晶向效應(yīng)比較微弱;進(jìn)入Rh_2O_3相區(qū),三個(gè)晶向的吸收性均有一定差異;在CalrO_3相區(qū),c與r向的吸收性基本一致,a與c、r向的吸收性有明顯差異,但氧空位的存在使得c與r向的吸收性出現(xiàn)了一些差別,且a與c、r向的吸收性差異增大。由此推測(cè):實(shí)驗(yàn)在約26 GPa處觀測(cè)到的藍(lán)寶石透明性晶向效應(yīng)的變化可能主要是由散射消光導(dǎo)致的;而在約255 GPa處觀測(cè)到的c和r向藍(lán)寶石透明性差別消失的現(xiàn)象應(yīng)該與其第二個(gè)結(jié)構(gòu)相變所引起的吸收性晶向效應(yīng)的變化有關(guān),因而發(fā)生該現(xiàn)象的沖擊壓力點(diǎn)應(yīng)在163 GPa左右。(3)在255 GPa壓力范圍內(nèi),采用第一性原理計(jì)算方法研究了a向、c向和r向藍(lán)寶石理想晶體以及含氧離子空位缺陷晶體的折射率和能量損失譜性質(zhì)。1550nm波長(zhǎng)處理想晶體的折射率數(shù)據(jù)表明,在Corundum、Rh_2O_3以及CalrO_3相區(qū),Al_2O_3折射率分別表現(xiàn)出強(qiáng)、弱以及強(qiáng)的晶向效應(yīng)。波長(zhǎng)在250 nm范圍內(nèi)理想晶體的能量損失譜結(jié)果指明,在Corundum和Rh_2O_3相區(qū),Al_2O_3能量損失譜的晶向效應(yīng)不明顯。在CalrO_3相區(qū),主峰附近的波段范圍內(nèi),藍(lán)寶石的能量損失譜有一定的晶向效應(yīng),c和r向的主峰強(qiáng)度基本相同,但a向主峰強(qiáng)度明顯高于c和r向主峰強(qiáng)度。缺陷晶體數(shù)據(jù)表明:缺陷的存在使得131.2 GPa壓力處Rh_2O_3結(jié)構(gòu)相藍(lán)寶石折射率的晶向效應(yīng)增強(qiáng),其中a向折射率大于c和r向折射率,而在255 GPa壓力處CalrO_3結(jié)構(gòu)相的折射率晶向效應(yīng)幾乎喪失,而缺陷因素對(duì)藍(lán)寶石能量損失譜晶向效應(yīng)的影響并不明顯。
【圖文】：

(a)Corundum結(jié)構(gòu)原胞模型

(c)CalrO3結(jié)構(gòu)原胞模型
【學(xué)位授予單位】：四川師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O469

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2685704