Кристаллы алмаза оптически изотропны, однако довольно часто в них возникают упругие напряжения, приводящие к появлению аномального двупреломления, эффект которого используется при диагностике алмаза в поляризованном свете. Алмазы с большими внутренними напряжениями обладают сильным аномальным двупреломлением, проявляющимся в виде яркого интерференционного окраса.

Узоры двупреломления могут быть различными: полосчатыми, соответствующими зональному строению кристаллов или связанными с плоскостями скольжения; радиально-лучистыми, вызванными дислокациями роста кристаллов; в виде изоклин, вызванных объемными напряжениями в алмазе; в виде фантомов, обусловленных напряжениями, направленными в разные стороны; вызваны включениями посторонних минералов.

Существующие приемы снятия внутренних напряжений не всегда приводят к желаемому результату. Например, термическая обработка алмазов позволяет частично снимать внутренние напряжения в кристаллах и таким образом повышать их прочностные свойства. Экспериментальные работы показывают, что прочность термически обработанных алмазов при статическом одноосном сжатии может повышаться на 20–40 %. Режим термической обработки заключается в нагреве алмазов до 920–940 °C с последующим медленным охлаждением. Несмотря на дороговизну и сложность подобного технологического процесса, он не всегда приводит к желаемому результату, сохраняя риск расколов и изменения цвета алмазного сырья.

Наша технология в процессе формирования динамической волновой среды позволяет целенаправленно при комнатной температуре изменять величину и структуру внутренних напряжений в алмазе.

В качестве примера приведем результаты работ по снятию внутренних напряжений в кристалле алмаза. На рис. 6.1 представлен природный кристалл алмаза, используемый в гранильном производстве для изготовления бриллианта.

Рис. 6.1. Кристалл алмаза до обработки

Анализ внутренних напряжений в алмазе проводился в поляризованном свете в скрещенных поляризаторах [22]. Этот анализ показал распределение аномального двупреломления в виде мозаично распределенных интерференционных окрасок в самых различных участках объема кристалла (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Изображение напряженных областей в объеме алмаза в поляризованном свете в скрещенных поляризаторах

Для снятия внутренних напряжений в кристалле алмаза нами был разработан специальный алгоритм воздействия. Сложность задачи по снятию внутренних напряжений заключалось еще и в том, что было необходимо обеспечить минимальный съем материала при воздействии на кристалл, сохранив при этом в неприкосновенности всю изначальную форму алмаза.

На рис. 6.3 приведено изображение алмаза после снятия внутренних напряжений.

Рис. 6.3. Изображение состояния алмаза в поляризованном свете после снятия внутренних напряжений

Плоское изображение фотографии не дает той полноты информации, которую обеспечивает бинокулярный (стереоскопический) микроскоп. При анализе объемного изображения внутреннего состояния алмаза можно было констатировать, что интерференционный окрас напряженных участков объема алмаза переместился из объема кристалла на его поверхность и распределился в неровностях его природной «рубашки». Объем же алмаза представлял однородное состояние без видимых напряженных участков.

Хорошо заметна на фотографии некоторая волнистость (полосатость) изображения (муар). Этот муар возникает вследствие переноса внутренних напряжений из объема алмаза в приповерхностный слой его природной «рубашки» и возникновения двупреломления на остаточных напряжениях между основной матрицей алмаза и его «рубашкой».

Конфигурация поверхностного состояния «рубашки» вследствие своего несовершенства аккумулирует основную часть перенесенных из объема напряжений путем упругой деформации своей кристаллической структуры. В результате этого возникает разность хода поляризованного луча при прохождении объема матрицы алмаза и его напряженного поверхностного состояния «рубашки». Вследствие этого образуется интерференционная картина изображения типа муар. При огранке алмаза «рубашка» зашлифовывается, оставляя само тело кристалла без видимых напряженных участков.

 

6.1. Радуга

Управление состоянием динамической волновой среды алмаза позволяет влиять на кристаллофизическое состояние алмаза в широких пределах: либо полностью избавляться от внутренних напряжений, либо частично, а то и просто слегка ими манипулировать.

Особый эффект возникает при комбинированной генерации волновой энергии в объем алмаза. Определенный алгоритм возбуждения структуры алмаза сначала с одной частотой формирует периодическое снятие внутренних напряжений, а потом на это сформированное состояние остаточных напряжений накладывается волновая энергия другой частоты. В результате в объеме алмаза формируются некие однородные области «модулированной плотности», которые разлагают падающий свет на цвета оптического спектра. Возникают также и другие возможности влияния на структуру алмаза, продиктованные волновыми свойствами динамической среды: амплитудные, частотные, фазовые и их комбинации [12].

Особенно эффектно этот прием проявляется на низкосортном и сильнонапряженном сырье, которое малоэффективно используется в гранильной промышленности при производстве бриллиантов.

В традиционной технологии обработки алмазов в бриллианты в дефектном и напряженном сырье при определенных условиях воздействия на алмаз в объеме кристалла формируются участки, на которых происходит разложение падающего или проходящего светового потока на цвета оптического спектра… Этот эффект мы условно назвали «радуга».

В общих чертах этот принцип образования радуги в напряженном алмазном сырье известен. При изменении или нарушении изначальной формы кристалла (при распиловке, колке, обдирке или подшлифовке) может происходить спонтанная релаксация внутренних напряжений в кристалле с образованием областей (границ раздела), на которых происходит дисперсия светового потока.

На рис. 6.4 видно образование радуги после распиловки напряженного сырья в традиционной технологии огранки алмазов в бриллианты.

Рис. 6.4. Образование радуги после распиловки алмаза

Этот кристалл относится к низкосортному сырью категории «Rejection Stones». Поскольку в этом случае происходит частичная релаксация напряжений, то остаточные напряжения в кристалле можно подвергнуть волновой обработке, например при полировке плоскости. На рис. 6.5 представлено продолжение образования радуги в объеме алмаза после нашего волнового воздействия.

Рис. 6.5. Продолжение образования радуги после волнового воздействия

Проведенные эксперименты по отработке алгоритмов при формировании внутренней структуры напряженного кристалла позволили выделить из всего многообразия три характерных типа радуги. Конечно, это условная классификация, связанная с применением определенного алгоритма волнового возбуждения алмаза [12].

Радуга первого типа может возникать в природном алмазе при применении нашего принципа «частотной модуляции». Суть этого алгоритма сводится к следующему. Первоначально в кристалле алмаза при его обработке создается волновая среда одной частоты. За определенное время в алмазе, под воздействием этого динамического волнового поля, происходит частичное снятие внутренних напряжений. После этого к алмазу прикладывается волновое возбуждение другой частоты. Наложение волновых потоков приводит к взаимодействию формируемых волновых полей и созданию некой модулированной периодичности остаточных внутренних напряжений в кристалле, на которой происходит эффект дисперсии светового потока.

Подобная процедура повторяется несколько раз. При этом соблюдается условие строгой стабильности применения параметров волнового процесса. Характерное изображение радуги первого типа приведено на рис. 6.6 при формировании «окна» в природной оболочке алмаза.

Рис. 6.6. Изображение радуги первого типа

Проведенные эксперименты позволяют утверждать, что этот принцип «частотной модуляции» волнового поля напряженного кристалла формирует участки внутренних напряжений, на которых может происходить дисперсия светового потока во всем объеме кристалла независимо от площади поверхности контакта при воздействии инструмента на алмаз. При Этом наблюдаемый эффект дисперсии светового потока может проявляться независимо от природной оболочки алмаза (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Эффекты дисперсии

Радуга второго типа формируется при применении алгоритма, который мы назвали «фазовая модуляция» волнового поля алмаза.

В этом случае в объеме кристалла создается волновое поле строго заданной частоты. В процессе воздействия через определенное время, сохраняя заданную частоту, меняется (сдвигается) фаза прилагаемого волнового возбуждения. В этом случае напряженные области в объеме алмаза формируются во вполне характерные для этого типа возбуждения конфигурации, на которых происходит дисперсия светового потока, отличного от радуги первого типа.

Подобное проявление эффекта дисперсии, как нами замечено, проявляется в основном на границах раздела двойников или на тонких межфазных границах (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Изображение радуги второго типа в объеме обрабатываемого конуса

Радуга третьего типа в основном формируется при применении комбинированного алгоритма волнового воздействия, когда происходит изменение и частоты вынужденных колебаний, и фазы входящего волнового потока. Отличие этого типа дисперсии от вышеприведенных заключается, по всей видимости, в исходной структуре дефектных областей алмаза.

Как правило, эти тонкие области имеют небольшие линейные размеры и при волновом возбуждении формируются в некие полусферические трехмерные образования, на которых происходит дисперсия светового потока (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Радуга третьего типа в объеме алмаза

Следует отметить, что формирование радуги того или иного типа связано в первую очередь с состоянием внутренних напряжений в дефектных областях алмаза. Мы создаем только условия для определенной релаксации этих напряжений. По какому пути пойдет формирование напряженных участков в объеме кристалла и возникновение на них дисперсии светового потока, определяется и типом дефектов кристаллической решетки, и наличием различных примесей, границ раздела и т. д. и т. п.

Рис. 6.10. Сформированная радуга в объеме алмаза

И в этом случае получаемая внутренняя картина алмаза определяется изначальным состоянием его дефектно-примесной структуры (рис. 6.10).

Рис. 6.11. Обработанный по естественным граням кристалл алмаза

В качестве примера готового изделия приведем обработанный по естественным криволинейным граням сильно дефектный кристалл алмаза с «раскрашенными» внутренними напряжениями (рис. 6.11). Это изначальное сырье относилось к категории «Boart».