Обесцвечивание природных сапфиров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Научно-исследовательский институт нанофотоники и оптоинформатики

ОБЕСЦВЕЧИВАНИЕ ПРИРОДНЫХ САПФИРОВ

Я.А. Некрасова, В.А. Асеев, К.В. Хомченко

Аннотация

Были проведены исследования спектрально-люминесцентных свойств ограненных кристаллов природных сапфиров. В ходе работы образцы подвергались технологическим методам обработки, которые позволяют изменять оптическую плотность сапфиров. На основе полученных данных были определены наиболее эффективные методики обесцвечивания сапфиров. обесцвечивание сапфир кристалл оптический

Введение

Окраска является визуально самой заметной характеристикой драгоценных камней и во многом предопределяет их стоимость. Наиболее дорогими являются сапфиры василькового цвета и кашмирового синего, слишком синие камни не представляют большой ценности в ювелирной промышленности. Сегодня внимание разработчиков технологий облагораживания драгоценных камней концентрируется в основном на улучшении цвета и прозрачности, что непосредственно связано с изменением оптической плотности кристаллов в определенных спектральных областях. Существует ряд методов облагораживания камней, например термообработка или облучение светом, а также их совместное использование для получения более значимого результата. Традиционно определение насыщенности окраски кристалла проводится визуально, что зачастую осложняется большим количеством и малыми размерами образцов. Подобная методика не дает точной информации об изменении окраски сапфиров. Более объективным для экспресс-оценки является спектрально-люминесцентный метод. Контроль изменения окраски кристаллов осуществлялся на основе измерения спектров поглощения. Также важную роль для эффективности процесса обесцвечивания сапфиров играет определение наличия следовых количеств примесей переходных металлов в составе образца, которое может привести к получению обратного результата, т.е. потемнению сапфира. Отслеживание изменения валентного состояния примесей в сапфире осуществлялось при использовании люминесцентного метода.

Описание эксперимента

В работе исследовались ограненные кристаллы природного сапфира, представляющие собой кристаллический Al₂O₃, активированный ионами титана и железа, а также характеризующиеся примесью хрома.

Измерение спектров поглощения проводилось на спектрофотометре Lambda 900 (Perkin Elmer) с интегрирующей сферой PELA-1000 в диапазоне (350-800 нм) с шагом 0,2 нм. Интегрирующая сфера позволяет учитывать как проходящий через сапфир свет, так и отраженный от его граней. Образец был закреплен в диафрагме для унификации измерений. По изменению формы и интенсивности полос поглощения в определенных областях видимой области спектра можно судить об изменении окраски сапфиров.

Типичный график поглощения природного сапфира представлен на рис. 1. Сильное поглощение у синих сапфиров в области (700-800 нм) характерно для ионов титана, полосы на 380 и 450 нм - полосы поглощения ионов Fe³⁺. Широкие полосы в области 580 нм и 750 нм могут соответствовать поглощению не только титана, но и ионов Fe²⁺ [1, 2]. Важным является уменьшение поглощения в синей области спектра, т.е. уменьшение содержания трехвалентного железа в составе образца.

Рис. 1 Спектр поглощения сапфира с идентификацией полос

Основными методами обесцвечивания природных сапфиров являются: термообработка («внутренняя диффузия»), облучение УФ излучением и лазерным излучением при малой мощности.

Результаты и обсуждения

В основе термообработки лежит способность преобразования центров окраски в минералах под действием повышенных температур, изменение окраски кристаллов, очистка камней от примеси. Варьируя параметры отжига, можно разрушать одни и сохранять другие центры окраски. Обычно, чем дольше воздействие рабочей температуры, тем эффективнее облагораживание, что объясняется диффузионным характером процессов и необходимостью выдержки для изменения состояния примесей.

В данной работе температурная обработка проводилась при 450?С в течение 18 часов и 900?С в течение 15 часов. В результате отжига изменилась разность пиков соответствующих длинам волн 380 и 450 нм, что вызвано диффузионными процессами внутри сапфиров (рис.2).

Рис. 2 Спектры поглощения сапфира до и после термообработки (1 - исходный образец; 2 - термообработка 450?С, 18 ч.; 3 - термообработка 900?С, 15 ч.)

Из графика видно, что при температуре 450?С особых изменений не наблюдается. Однако, термообработка при 900?С привела к уменьшению интенсивности поглощения в диапазоне измерений. Были выбраны относительно низкие температуры, для того, чтобы наличие температурной обработки нельзя было идентифицировать с помощью известных методов диагностики. Для перестройки всех внутренних структур сапфира этих температур (450?С и 900?С) недостаточно. Использование отжига при больших температурах позволяет добиться более сильного эффекта, но о проведении термообработок такого типа должно быть указано в паспорте камня, что сильно снижает стоимость камня - в 2-3 раза.

В случае использования УФ лампы идет накачка в полосу поглощения в области 450 нм связанную с трехвалентым железом. Воздействуя на эту область можно добиться ее просветления за счет различных процессов, например фотоионизация. На рис.3 представлены спектры изменения оптической плотности в результате воздействия на образец УФ излучением.

Рис. 3 Спектры поглощения сапфира (1 - в исходном состоянии, 2 - после облучения УФ-лампой)

Образец подвергался облучению в течение 40 минут при общей мощности излучения 40 кДж, что привело к увеличению интегрального пропускания по всему диапазону измерений (350-800 нм). Дальнейшее воздействие УФ светом не дало существенных изменений в видимой области.

Также для воздействия на полосу поглощения трехвалентного железа в области 450 нм может применяться облучение когерентным излучением малой мощности. В этом случае на изменение интенсивности поглощения могут влиять эффект выжигания спектральных дыр и явление резонанса Фано.

Рис. 4 Спектры поглощения образца (1 - в исходном состоянии, 2 - после обработки He-Cd лазером (442 нм))

При воздействии He-Cd лазером (л = 442 нм; 3 мВт) происходит увеличение пропускания света в области 380 и 450 нм (рис.4). Можно предположить, что в результате перехода части ионов железа в валентное состояние Fe²⁺, уменьшилось поглощение в диапазоне длин волн (350-500 нм). Вероятно изменение интенсивности за границей фундаментального поглощения или в ИК-области спектра.

Для получения наилучшего результата при облагораживании сапфиров важно иметь сведения о наличии или отсутствии примесей в составе данного кристалла, а также об их валентном состоянии. Что может быть определено на основе люминесцентного метода. Поэтому для определения присутствия следовых количеств примесей были измерены спектры люминесценции образцов при возбуждении второй гармоникой неодимового лазера (532 нм) в диапазоне (600-1600 нм).

Рис. 5 Спектры люминесценции образца sc5 при возбуждении на длине волны 532 нм (1 - в исходном состоянии, 2 - после облучения He-Cd лазером)

На рис.5 представлены графики люминесценции кристалла сапфира до обработки, и после облучения He-Cd лазером. Видно, что в исходном состоянии в основном люминесцируют ионы Cr³⁺, также присутствуют полосы характерные для ионов Ti³⁺ и Cr⁴⁺. Спектр обработанного образца представляет собой широкую полосу люминесценции титана с максимумом на длине волны 950 нм.

Выводы

В ходе исследования были применены различные методы обработки кристаллов сапфиров, которые привели к просветлению образцов в видимой области. Наилучший результат дала термообработка. Также были определены объективные методики контроля изменений окраски кристаллов и содержания примесных элементов. Рассмотренные методики оптического облагораживания позволяют существенно изменять окраску природных сапфиров, таким образом, увеличивая их потребительскую ценность.

Список литературы

1. Путилин Ю. М., Белякова Ю. А., Голенко В. П., Давыдченко А. Г. Синтез минералов. Т.2. М.: «Недра». 1987. 231-236 с.

2. Платонов А. Н., Таран М. Н., Балицкий В. С. Природа окраски самоцветов. М.: Недра. 1984. 28-42 с.

3. Gaft M., Reisfeld R., Panczer G. Modern luminescence spectroscopy of minerals and materials. Springer. 2005. p. 35.

Размещено на Allbest.ru