在冲击波物理和高压物理力学研究领域,窗口材料的高压物理力学性质和动态响应特性研究十分关键。一方面,在其它材料的物理力学性质的实验研究中,大多需要用到透明窗口作为压砧以维持高压状态,并且不透明的材料需要透过窗口传递光信号,以进行实时的连续时间分辨的速度或热辐射温度诊断,因此合适的窗口材料一直是科学家努力寻找的目标和研究的主题;另一方面,对于光学透明窗口材料,可以采用常规的光学观测手段,对其内部的动态响应和光学性质开展研究,由此建立的研究方法和认识可以为非透明材料的研究提供重要的参考。Gd3Ga5O12单晶(GGG)具有良好的高压光学透明性,是冲击波实验中一种重要的高阻抗窗口材料。目前,对于GGG单晶的高压物性和动态响应行为已经开展了一些研究,包括弹塑性转变、Hugoniot状态方程、高压电导率、光学吸收率、冲击相变、冲击温度和熔化、以及高压折射率等。在0 GPa～300 GPa实验压力范围,GGG单晶存在弹性响应→起始塑性→完全塑性响应→结构相变→冲击熔化等一系列转变,从速度波剖面上可以观测到弹塑性双波结构和弹性-塑性-相变三波结构。与此对应,各个相区的光学折射率变化则呈现不同的变化规律,之前虽然有一些零星的报道,但折射率随冲击压力变化的完整的图像并不清楚。此外,文献报道的GGG雨贡钮弹性极限(Hugoniot elastic limit,HEL)值也存在较大分歧,为何存在这样大的差别和真实的HEL值应该如何确定等都是需要解决的科学问题。针对上述问题,本文在一级轻气炮(14 mm 口径)上,采用平板撞击方法和激光干涉测速仪(Doppler Pin System-DPS),对[111]晶向Gd3Ga5O12的纯弹性和弹塑性区域的界面速度剖面进行了测量,结合周显明小组先前积累的DPS原始数据,综合分析了弹塑性转变临界区附近干涉条纹和速度波剖面的变化特征及其与双折射、起始塑性、雨贡纽弹性极限的关系,以及0 GPa～300 GPa范围内的折射率变化规律。取得的新认识如下:1.当最终冲击压力加载至略高于GGG的弹性雨贡钮极限时,通过DPS数据结合短时傅里叶变换(STFT),观察到GGG在冲击压缩过程中,DPS的干涉条纹呈现三种不同的状态:振幅稳定状态、类似哑铃状的调制状态(双折射现象)以及快速无规律调制状态。由于在纯弹性响应实验中并未观察到双折射现象,因此判断[111]GGG在冲击压缩中发生了晶格旋转。这三种状态分别对应:弹性区域、弹-塑性区域的起始塑性孕-育区域(造成了双折射)以及塑性扰动区域。2.[111]GGG样品被压缩至起始塑性,根据起始塑性的孕育时间可确定[111]GGG的HEL为8.78 GPa,这一数值比之前报道的GGG单晶的HEL值要低得多,由此得到真实HEL与衰减后弹性先驱波波幅并无关联的结论,对这一长期混淆的概念做出了澄清。3.在0 GPa～300 GPa范围,GGG单晶的光学折射率随样品密度的变化而变化,在不同相区呈现不同的变化规律。在低压相区,折射率随着固体密度的增加而缓慢增大;在固-固相边界变化是连续的;在高压相,折射率随着固体密度大幅增加;在固液相边界,折射率突降;GGG单晶在液相区的折射率随着密度的增加而增加,这一规律与蓝宝石在液相区的的折射率变化规律相反。本文从DPS干涉条纹原始数据出发,经过一系列分析处理,研究Gd3Ga5O12单晶在冲击压缩下的弹性区域、弹-塑性区域、塑性区域以及冲击相变区域的折射率随冲击压力(或样品密度)的变化关系,并确定了[111]GGG的真实HEL值。本文研究取得的成果和认识可为冲击加载下固体材料的起始塑性和真实雨贡纽弹性极限研究提供一种新的启示。