eng
Выпуск #6/2021
А.О.Исмагилов, Н.В.Андреева, О.В.Андреева
Нанопористые силикатные матрицы: проблемы оптической однородности
Нанопористые силикатные матрицы: проблемы оптической однородности
Просмотры: 1264
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.6.364.37
Рассмотрены вопросы, связанные с методикой оценки оптического качества нанопористых силикатных матриц. Представлены результаты исследования образцов на разных этапах изготовления с использованием метода цифровой голографической интерферометрии. Проведен анализ влияния силы тяжести на формирование пористой структуры в процессе химического травления.
Рассмотрены вопросы, связанные с методикой оценки оптического качества нанопористых силикатных матриц. Представлены результаты исследования образцов на разных этапах изготовления с использованием метода цифровой голографической интерферометрии. Проведен анализ влияния силы тяжести на формирование пористой структуры в процессе химического травления.
Теги: digital holographic interferometry nanoporous silicate matrices optical quality нанопористые силикатные матрицы оптическое качество цифровая голографическая интерферометрия
НАНОПОРИСТЫЕ СИЛИКАТНЫЕ МАТРИЦЫ: ПРОБЛЕМЫ ОПТИЧЕСКОЙ ОДНОРОДНОСТИ
NANOPOROUS SILICATE MATRICES: OPTICAL HOMOGENEITY PROBLEMS
А.О.Исмагилов1, науч. cотр., (ORCID: 0000-0002-5844-2966), Н.В.Андреева1, ассистент, (ORCID: 0000-0002-5523-837X), О.В.Андреева1, д.т.н., доц., ст. науч. cотр., (ORCID: 0000-0003-3245-0762) / olga_andreeva@mail.ru
A.O.Ismagilov1, Researcher, N.V.Andreeva1, Assistant, O.V.Andreeva1, Doct. of Sci. (Technical), Docent, Senior Researcher
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.6.364.373
Получено: 11.09.2021 г.
В работе рассматриваются вопросы, связанные с методикой оценки оптического качества нанопористых силикатных матриц. Представлены результаты исследования образцов на разных этапах их изготовления при использовании метода цифровой голографической интерферометрии. Проведен анализ влияния силы тяжести на формирование пористой структуры в процессе химического травления.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время усложнение приборов и расширение сферы применения излучений оптического диапазона выдвигают новые требования к оптическим материалам и разработке технологий создания новых оптических материалов с заданными свойствами. Матричный принцип построения композиционных материалов входит в число перспективных.
Особое место среди пористых структур занимают нанопористые силикатные матрицы [1]. Нанопористые матрицы на основе силикатного стекла представляют собой совершенно особый, в своем роде уникальный, инструмент исследования физико-химических процессов в ограниченном объеме, соизмеримом с масштабом протекания процессов и размерами изучаемых объектов: ограниченность пространства и эффективный контакт со стенками пор обуславливают существенные особенности состояния вещества-наполнителя по сравнению со случаем его нахождения в свободном объеме. Именно эта возможность определяет повышение интереса к нанопористым силикатным матрицам и является в настоящее время предметом разносторонних исследований [1–3].
Применение нанопористых силикатных матриц (НПСМ) в настоящее время, главным образом, связано с их прозрачностью в видимой области спектра и возможностью получения образцов оптического качества [1].
Исследование нанопористых матриц занимает определенную нишу в жизни научного сообщества. Для получения материала, который будет обладать необходимыми свойствами, важно разработать не только технологию получения образцов со стабильными и воспроизводимыми характеристиками, но и методы контроля качества изготавливаемых образцов. Как правило, существующие методы разработаны для характеризации качества оптических поверхностей. В то же время оптическое качество НПСМ определяет внутренняя пористая структура образца, к характеризации которой не всегда впрямую применимы методы, разработанные для оценки оптических параметров однородных (сплошных) непористых материалов.
В работах [1, 3] показано, что оптическое качество образцов НПСМ определяют этапы химической обработки заготовок: кислотное травление и щелочное травление.
Целью работы является исследование оптического качества образцов после проведения необходимых этапов химического травления, разработанных для использования НПСМ в оптических экспериментах [3].
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе использовались нанопористые силикатные матрицы, изготавливаемые из натриевоборосиликатного двухфазного стекла, образованного двумя взаимопроникающими фазами: химически нестойкой боратной и химически устойчивой кремнеземной. Для их получения использовались заготовки в виде полированных дисков диаметром 15 мм и толщиной 1 мм (возможно также использование плоскопараллельных пластин), изготовленные по отработанной технологии из двухфазного стекла ДВ-1, прошедшего стадию термообработки с разделением фаз и образованием ликвационных каналов.
Основными характеристиками образцов при их получении являются средний диаметр пор и объем образца, не занятый кремнеземным каркасом (свободный объем пор). Средний диаметр пор наиболее востребованных образцов (НПСМ-17) составляет 17 нм. Свободный объем пор находится в пределах (48–58)% и зависит от времени проведения процедуры щелочного травления. При изготовлении нанопористых силикатных матриц соблюдался технологический регламент, позволяющий воспроизводить заданные характеристики НПСМ от партии к партии.
При изучении оптических свойств внутренней структуры прозрачных образцов наиболее распространенными и чувствительными являются интерферометрические методы, оценивающие состояние образца по его фазовым изменениям. В работе использован метод цифровой голографической интерферометрии (ЦГИ) [4]. Разработанная методика позволяла получать интерферограммы (ИГ) состояния образца на разных этапах изготовления НПСМ, осуществлять сравнение и анализ экспериментальных результатов.
Контроль оптической однородности образцов производился путем исследования их фазовых характеристик на экспериментальном стенде (рис.1).
Стенд предназначен для исследования фазовых трансформаций прозрачных объектов методом цифровой голографической интерферометрии (ЦГИ) и снабжен терминалом для обработки экспериментальных данных [4]. Узел объекта вынесен за пределы основной интерферометрической схемы, что дает возможность проводить исследование разных состояний одного и того же объекта при воздействии на него вне пределов интерферометра по схемам: заготовка – контроль; кислотная обработка (НПСМ-7) – контроль; щелочная обработка (НПСМ-17) – контроль.
Узел объекта представляет собой кювету с водой, в которой устанавливается исследуемый образец. Образец располагается в центре объектного пучка перпендикулярно его центральному лучу. Интерференционный контроль представляет собой эксперимент по получению интерферограммы (ИГ) и включает получение двух цифровых голограмм Н1и Н2 путем съемки двух кадров (экспозиция 1/1500 с) (один кадр), Н1 – голограмма с образцом (второй кадр), Н2 – голограмма без образца. В промежутке времени между кадрами обеспечивалось стабильное состояние условий съемки и отсутствие фазовых изменений в объектном пучке.
Интерферограмма, характеризующая состояние объекта создавалась с помощью программного обеспечения стенда путем вычитания голограммы Н2 из голограммы Н1, с формированием развернутой по площади образца разности фаз с тангенциальным контрастом: ИГ = Н1 – Н2.
Каждая точка ИГ с координатами x, y в плоскости объекта характеризует изменение фазы объектного пучка φ(z) и вычисляется по формуле (1) [5]:
Δφ = 2π × Δ(nl)/λ, (1)
где λ – длина волны излучения в образце; Δ(nl) – изменение оптической толщины образца по оси z, n – средний показатель преломления образца, l – геометрическая (физическая) толщина образца.
Технологический режим получения НПСМ как основы объемных регистрирующих сред разрабатывался с целью создания матриц с характеристиками, равномерно распределенными по толщине образца [6]. Поэтому плоскопараллельные образцы (толщиной 1÷4 мм) располагались во время химической обработки в положении, наиболее близком к вертикальному, чтобы обеспечить равномерность характеристик по толщине (в горизонтальном направлении). В настоящее время появилась необходимость характеризовать качество пористых матриц с точки зрения повышения оптической однородности по площади образцов изготавливаемых НПСМ.
Одной из главных задач исследования являлось определение влияния силы тяжести на результат проведения этапов химического травления заготовок. При установке на химическую обработку образцы ориентировались таким образом, чтобы действие силы тяжести по отношению к образцу всегда было направлено в одну сторону. Для того чтобы определить влияние силы тяжести на результат травления, перед щелочным травлением образец 1 был повернут на 180° относительно горизонтальной оси, а образец 2 был оставлен в прежнем положении.
Оптическое качество образцов НПСМ определяется как качеством заготовки, так и структурой пористого каркаса. Оптическое качество заготовки определяет оптическая однородность материала (исходное стекло ДВ) и качество оптико-механической обработки. Как правило, заготовка не имеет оптических неоднородностей показателя преломления. Качество механической обработки оптических поверхностей соответствует требованиям, которые предъявляются при обработке оптических деталей. Однако, небольшой размер образцов (до 50 мм) и малая толщина (1–3 мм) используемых образцов ограничивают возможности обработки, что приводит к наличию неконтролируемого угла между оптическими поверхностями, то есть к клиновидности образца.
К появлению неоднородностей показателя преломления приводит химическая обработка, формирующая пористую структуру. Пористые матрицы представляют собой неоднородную среду, которая состоит из двух компонентов – силикатного каркаса и свободного объема пор, который может быть заполнен воздухом (образец в воздушно-сухом состоянии), либо иммерсионной жидкостью с определенными характеристиками (показателем преломления и коэффициентом поглощения). Показатель преломления в данном случае представляет собой эффективный показатель преломления (nэфф) многокомпонентной среды, который определяется парциальными вкладами каждой составляющей, и для пористой матрицы с двумя компонентами вычисляется по формуле (2):
nэф = Vпорnпор + Vкnк, (2)
где Vпор – относительный свободный объем пор; nпор – показатель преломления наполнителя свободного объема пор (поры заполнены воздухом – nпор = 1, поры заполнены водой – nпор = 1,33); Vк – относительный объем образца, занимаемый силикатным каркасом; nк – показатель преломления каркаса пористого образца (nк = 1,45).
В качестве основного параметра для оценки оптической неоднородности использована величина изменения по рабочей поверхности образца эффективного показателя преломления (nэф), которая в работе обозначается Δn.
Измерение свободного объема пор производилось весовым методом – по разнице веса образца в воздушно-сухом состоянии и при его заполнении водой с последующим расчетом.
Эффективный показатель преломления образца, рассчитанный по формуле (2), представляет собой показатель преломления, усредненный по всему объему образца, то есть как по толщине образца, так и по его площади.
В табл. 1 приведены параметры исследуемых образцов в воздушно-сухом состоянии и при заполнении пор водой после каждого из этапов химического травления.
Зависимости распределения пор по размерам после проведения этапов химического травления были определены путем экспериментального измерения изотерм адсорбции-десорбции паров этилового спирта (НПСМ-7) и паров ртути (НПСМ-17) [6]. Диаметры пор при максимальном значении этой функции дали названия образцам, получаемым по данной технологии – НПСМ-7 и НПСМ-17.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Интерферограммы, характеризующие фазовую структуру исходных образцов-заготовок, приведены в табл.2.
Как видно из приведенных данных, интерференционные полосы в заготовках располагаются по площади образцов практически параллельно друг другу. Расстояние между полосами определяет клиновидность образца-заготовки. Следует отметить, что это расстояние по площади образца-заготовки практически не изменяется, что свидетельствует, как и следовало ожидать, о равномерности распределения показателя преломления сплошного образца среды по его объему.
Интерферограммы исследуемых образцов 1 и 2 после каждого этапа травления приведены в табл.3.
Отметим еще раз, что интерференционные полосы в заготовках расположены параллельно друг другу и расстояние между ними практически не изменяется по площади образца. В то же время после химической обработки структура интерферограмм изменяется – наблюдается искривление полос и уменьшение расстояния между ними в направлении силы тяжести. Такие изменения характерны как для НПСМ-7, так и для НПСМ-17. Изменение положения образца во время щелочной обработки (образец 1) по сравнению с его положением во время кислотной обработки приводит к достаточно причудливой форме интерференционной картины – появлению "впадины" в центре образца. Это свидетельствует о значительном влиянии силы тяжести на процессы растворения химически нестойкой фазы и аморфного (тонкодисперсного) кремнезема и выведения продуктов реакции из ликвационных каналов.
Важно подчеркнуть, что оптическая неоднородность пористых образцов обусловлена неравномерностью распределения свободного объема пор по объему образца. При этом толщина образца 1 не изменяется.
При рассмотрении интерферограмм, полученных в данной схеме (рис.1), расстояние между двумя интерференционными полосами соответствует разности фаз 2π. Эта величина определяет изменение среднего эффективного показателя преломления образца на его поверхности между двумя смежными полосами (табл.4). После проведения этапов химического травления расстояние между интерференционными полосами изменяется в направлении силы тяжести. Причем, уменьшение расстояния между полосами свидетельствует об увеличении Δn между ними и приводит к увеличению значений изменения показателя преломления на единицу длины в направлении силы тяжести.
Например (см. табл.3), в центре образца 2 изменения фазы в 2π происходит на участке Δz = 5 мм, а на верхнем крае образца на участке Δz = 0,2 мм. Именно величина Δn/d (d – расстояние между двумя интерференционными полосами) характеризует оптическую неоднородность образца, эффективный показатель преломления которой при его определении усреднен по объему.
На рис.2 показано изменение величины Δn/d в сечении А-А исследуемых образцов. Важно отметить, что для образцов НПСМ-17, полученных при указанной геометрии химической обработки заготовок, заданной величиной оптической однородности (например, Δn<10–4), могут обладать только небольшие (несколько миллиметров) участки образца.
ВЫВОДЫ
В работе продемонстрировано значительное влияние силы тяжести на формирование пористой структуры силикатных матриц НПСМ и на распределение свободного объема пор по площади образца. Показано, что характер этого влияния не зависит от вида травления: в направлении силы тяжести расстояние между интерференционными полосами уменьшается, что ведет к увеличению эффективного показателя преломления в нижней части образца, расположенного в рабочем объеме вертикально.
Оптическая неоднородность образцов обусловлена влиянием химического травления и связана с удалением легкорастворимой фазы, обогащенной окислами бора и натрия, при кислотном травлении, и удалением "вторичного" кремнезема из области разрушения боратной фазы при щелочном травлении.
Как показал проведенный анализ, количественные данные изменения показателя преломления на единицу длины достаточно высоки, и оптически однородными можно считать только отдельные участки рабочей площади образца.
Практически важным результатом является использование метода цифровой голографической интерферометрии для исследования оптического качества нанопористых силикатных матриц. Разработанная методика исследования оптических характеристик НПСМ может быть применена для контроля образцов при разработке технологических режимов получения НПСМ с заданными значениями оптической однородности.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Андреева О.В., Быков Е.П., Исмагилов А.О., Pandya A., Щелканова И.Ю., Андреева Н.В. Нанопористые силикатные матрицы для голографии и биомедицины // Оптика и спектроскопия. 2021. Т. 129. № 4. С. 418–426.
Василевская Т.Н., Антропова Т.В. Изучение структуры стеклообразных нанопористых матриц методом рентгеновского малоуглового рассеяния // Физика твердого тела. 2009. Т. 51. № 12. С. 2386–93.
Андреева О.В., Обыкновенная И.Е. Нанопористые матрицы НПС-7 и НПС-17 – возможности использования в оптическом эксперименте // Наносистемы: физика, химия, математика. 2010. Т. 1. № 1. С. 37–53.
Manukhin B.G., Gusev M.E., Kucher D.A., Chivilikhin S.A., Andreeva O.V. Optical diagnostics of the process of free liquid convection // Optics and spectroscopy. 2015. V. 119. No. 3. PP. 392–397.
Островский Ю.И., Бутусов М.М., Островская Г.В. Голографическая интерферометрия. М.: Наука, 1977. 339 c.
Суханов В.И. Трехмерные глубокие голограммы и материалы для их записи // Оптический журнал. 1994. № 1. С. 61–70.
Андреева О.В., Обыкновенная И.Е., Гаврилюк Е.Р., Парамонов А.А., Кушнаренко А.П. Галогенидосеребряные фотоматериалы на основе пористых стекол // Оптический журнал. 2005. Т. 72. № 6. С. 37–45.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
NANOPOROUS SILICATE MATRICES: OPTICAL HOMOGENEITY PROBLEMS
А.О.Исмагилов1, науч. cотр., (ORCID: 0000-0002-5844-2966), Н.В.Андреева1, ассистент, (ORCID: 0000-0002-5523-837X), О.В.Андреева1, д.т.н., доц., ст. науч. cотр., (ORCID: 0000-0003-3245-0762) / olga_andreeva@mail.ru
A.O.Ismagilov1, Researcher, N.V.Andreeva1, Assistant, O.V.Andreeva1, Doct. of Sci. (Technical), Docent, Senior Researcher
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.6.364.373
Получено: 11.09.2021 г.
В работе рассматриваются вопросы, связанные с методикой оценки оптического качества нанопористых силикатных матриц. Представлены результаты исследования образцов на разных этапах их изготовления при использовании метода цифровой голографической интерферометрии. Проведен анализ влияния силы тяжести на формирование пористой структуры в процессе химического травления.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время усложнение приборов и расширение сферы применения излучений оптического диапазона выдвигают новые требования к оптическим материалам и разработке технологий создания новых оптических материалов с заданными свойствами. Матричный принцип построения композиционных материалов входит в число перспективных.
Особое место среди пористых структур занимают нанопористые силикатные матрицы [1]. Нанопористые матрицы на основе силикатного стекла представляют собой совершенно особый, в своем роде уникальный, инструмент исследования физико-химических процессов в ограниченном объеме, соизмеримом с масштабом протекания процессов и размерами изучаемых объектов: ограниченность пространства и эффективный контакт со стенками пор обуславливают существенные особенности состояния вещества-наполнителя по сравнению со случаем его нахождения в свободном объеме. Именно эта возможность определяет повышение интереса к нанопористым силикатным матрицам и является в настоящее время предметом разносторонних исследований [1–3].
Применение нанопористых силикатных матриц (НПСМ) в настоящее время, главным образом, связано с их прозрачностью в видимой области спектра и возможностью получения образцов оптического качества [1].
Исследование нанопористых матриц занимает определенную нишу в жизни научного сообщества. Для получения материала, который будет обладать необходимыми свойствами, важно разработать не только технологию получения образцов со стабильными и воспроизводимыми характеристиками, но и методы контроля качества изготавливаемых образцов. Как правило, существующие методы разработаны для характеризации качества оптических поверхностей. В то же время оптическое качество НПСМ определяет внутренняя пористая структура образца, к характеризации которой не всегда впрямую применимы методы, разработанные для оценки оптических параметров однородных (сплошных) непористых материалов.
В работах [1, 3] показано, что оптическое качество образцов НПСМ определяют этапы химической обработки заготовок: кислотное травление и щелочное травление.
Целью работы является исследование оптического качества образцов после проведения необходимых этапов химического травления, разработанных для использования НПСМ в оптических экспериментах [3].
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе использовались нанопористые силикатные матрицы, изготавливаемые из натриевоборосиликатного двухфазного стекла, образованного двумя взаимопроникающими фазами: химически нестойкой боратной и химически устойчивой кремнеземной. Для их получения использовались заготовки в виде полированных дисков диаметром 15 мм и толщиной 1 мм (возможно также использование плоскопараллельных пластин), изготовленные по отработанной технологии из двухфазного стекла ДВ-1, прошедшего стадию термообработки с разделением фаз и образованием ликвационных каналов.
Основными характеристиками образцов при их получении являются средний диаметр пор и объем образца, не занятый кремнеземным каркасом (свободный объем пор). Средний диаметр пор наиболее востребованных образцов (НПСМ-17) составляет 17 нм. Свободный объем пор находится в пределах (48–58)% и зависит от времени проведения процедуры щелочного травления. При изготовлении нанопористых силикатных матриц соблюдался технологический регламент, позволяющий воспроизводить заданные характеристики НПСМ от партии к партии.
При изучении оптических свойств внутренней структуры прозрачных образцов наиболее распространенными и чувствительными являются интерферометрические методы, оценивающие состояние образца по его фазовым изменениям. В работе использован метод цифровой голографической интерферометрии (ЦГИ) [4]. Разработанная методика позволяла получать интерферограммы (ИГ) состояния образца на разных этапах изготовления НПСМ, осуществлять сравнение и анализ экспериментальных результатов.
Контроль оптической однородности образцов производился путем исследования их фазовых характеристик на экспериментальном стенде (рис.1).
Стенд предназначен для исследования фазовых трансформаций прозрачных объектов методом цифровой голографической интерферометрии (ЦГИ) и снабжен терминалом для обработки экспериментальных данных [4]. Узел объекта вынесен за пределы основной интерферометрической схемы, что дает возможность проводить исследование разных состояний одного и того же объекта при воздействии на него вне пределов интерферометра по схемам: заготовка – контроль; кислотная обработка (НПСМ-7) – контроль; щелочная обработка (НПСМ-17) – контроль.
Узел объекта представляет собой кювету с водой, в которой устанавливается исследуемый образец. Образец располагается в центре объектного пучка перпендикулярно его центральному лучу. Интерференционный контроль представляет собой эксперимент по получению интерферограммы (ИГ) и включает получение двух цифровых голограмм Н1и Н2 путем съемки двух кадров (экспозиция 1/1500 с) (один кадр), Н1 – голограмма с образцом (второй кадр), Н2 – голограмма без образца. В промежутке времени между кадрами обеспечивалось стабильное состояние условий съемки и отсутствие фазовых изменений в объектном пучке.
Интерферограмма, характеризующая состояние объекта создавалась с помощью программного обеспечения стенда путем вычитания голограммы Н2 из голограммы Н1, с формированием развернутой по площади образца разности фаз с тангенциальным контрастом: ИГ = Н1 – Н2.
Каждая точка ИГ с координатами x, y в плоскости объекта характеризует изменение фазы объектного пучка φ(z) и вычисляется по формуле (1) [5]:
Δφ = 2π × Δ(nl)/λ, (1)
где λ – длина волны излучения в образце; Δ(nl) – изменение оптической толщины образца по оси z, n – средний показатель преломления образца, l – геометрическая (физическая) толщина образца.
Технологический режим получения НПСМ как основы объемных регистрирующих сред разрабатывался с целью создания матриц с характеристиками, равномерно распределенными по толщине образца [6]. Поэтому плоскопараллельные образцы (толщиной 1÷4 мм) располагались во время химической обработки в положении, наиболее близком к вертикальному, чтобы обеспечить равномерность характеристик по толщине (в горизонтальном направлении). В настоящее время появилась необходимость характеризовать качество пористых матриц с точки зрения повышения оптической однородности по площади образцов изготавливаемых НПСМ.
Одной из главных задач исследования являлось определение влияния силы тяжести на результат проведения этапов химического травления заготовок. При установке на химическую обработку образцы ориентировались таким образом, чтобы действие силы тяжести по отношению к образцу всегда было направлено в одну сторону. Для того чтобы определить влияние силы тяжести на результат травления, перед щелочным травлением образец 1 был повернут на 180° относительно горизонтальной оси, а образец 2 был оставлен в прежнем положении.
Оптическое качество образцов НПСМ определяется как качеством заготовки, так и структурой пористого каркаса. Оптическое качество заготовки определяет оптическая однородность материала (исходное стекло ДВ) и качество оптико-механической обработки. Как правило, заготовка не имеет оптических неоднородностей показателя преломления. Качество механической обработки оптических поверхностей соответствует требованиям, которые предъявляются при обработке оптических деталей. Однако, небольшой размер образцов (до 50 мм) и малая толщина (1–3 мм) используемых образцов ограничивают возможности обработки, что приводит к наличию неконтролируемого угла между оптическими поверхностями, то есть к клиновидности образца.
К появлению неоднородностей показателя преломления приводит химическая обработка, формирующая пористую структуру. Пористые матрицы представляют собой неоднородную среду, которая состоит из двух компонентов – силикатного каркаса и свободного объема пор, который может быть заполнен воздухом (образец в воздушно-сухом состоянии), либо иммерсионной жидкостью с определенными характеристиками (показателем преломления и коэффициентом поглощения). Показатель преломления в данном случае представляет собой эффективный показатель преломления (nэфф) многокомпонентной среды, который определяется парциальными вкладами каждой составляющей, и для пористой матрицы с двумя компонентами вычисляется по формуле (2):
nэф = Vпорnпор + Vкnк, (2)
где Vпор – относительный свободный объем пор; nпор – показатель преломления наполнителя свободного объема пор (поры заполнены воздухом – nпор = 1, поры заполнены водой – nпор = 1,33); Vк – относительный объем образца, занимаемый силикатным каркасом; nк – показатель преломления каркаса пористого образца (nк = 1,45).
В качестве основного параметра для оценки оптической неоднородности использована величина изменения по рабочей поверхности образца эффективного показателя преломления (nэф), которая в работе обозначается Δn.
Измерение свободного объема пор производилось весовым методом – по разнице веса образца в воздушно-сухом состоянии и при его заполнении водой с последующим расчетом.
Эффективный показатель преломления образца, рассчитанный по формуле (2), представляет собой показатель преломления, усредненный по всему объему образца, то есть как по толщине образца, так и по его площади.
В табл. 1 приведены параметры исследуемых образцов в воздушно-сухом состоянии и при заполнении пор водой после каждого из этапов химического травления.
Зависимости распределения пор по размерам после проведения этапов химического травления были определены путем экспериментального измерения изотерм адсорбции-десорбции паров этилового спирта (НПСМ-7) и паров ртути (НПСМ-17) [6]. Диаметры пор при максимальном значении этой функции дали названия образцам, получаемым по данной технологии – НПСМ-7 и НПСМ-17.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Интерферограммы, характеризующие фазовую структуру исходных образцов-заготовок, приведены в табл.2.
Как видно из приведенных данных, интерференционные полосы в заготовках располагаются по площади образцов практически параллельно друг другу. Расстояние между полосами определяет клиновидность образца-заготовки. Следует отметить, что это расстояние по площади образца-заготовки практически не изменяется, что свидетельствует, как и следовало ожидать, о равномерности распределения показателя преломления сплошного образца среды по его объему.
Интерферограммы исследуемых образцов 1 и 2 после каждого этапа травления приведены в табл.3.
Отметим еще раз, что интерференционные полосы в заготовках расположены параллельно друг другу и расстояние между ними практически не изменяется по площади образца. В то же время после химической обработки структура интерферограмм изменяется – наблюдается искривление полос и уменьшение расстояния между ними в направлении силы тяжести. Такие изменения характерны как для НПСМ-7, так и для НПСМ-17. Изменение положения образца во время щелочной обработки (образец 1) по сравнению с его положением во время кислотной обработки приводит к достаточно причудливой форме интерференционной картины – появлению "впадины" в центре образца. Это свидетельствует о значительном влиянии силы тяжести на процессы растворения химически нестойкой фазы и аморфного (тонкодисперсного) кремнезема и выведения продуктов реакции из ликвационных каналов.
Важно подчеркнуть, что оптическая неоднородность пористых образцов обусловлена неравномерностью распределения свободного объема пор по объему образца. При этом толщина образца 1 не изменяется.
При рассмотрении интерферограмм, полученных в данной схеме (рис.1), расстояние между двумя интерференционными полосами соответствует разности фаз 2π. Эта величина определяет изменение среднего эффективного показателя преломления образца на его поверхности между двумя смежными полосами (табл.4). После проведения этапов химического травления расстояние между интерференционными полосами изменяется в направлении силы тяжести. Причем, уменьшение расстояния между полосами свидетельствует об увеличении Δn между ними и приводит к увеличению значений изменения показателя преломления на единицу длины в направлении силы тяжести.
Например (см. табл.3), в центре образца 2 изменения фазы в 2π происходит на участке Δz = 5 мм, а на верхнем крае образца на участке Δz = 0,2 мм. Именно величина Δn/d (d – расстояние между двумя интерференционными полосами) характеризует оптическую неоднородность образца, эффективный показатель преломления которой при его определении усреднен по объему.
На рис.2 показано изменение величины Δn/d в сечении А-А исследуемых образцов. Важно отметить, что для образцов НПСМ-17, полученных при указанной геометрии химической обработки заготовок, заданной величиной оптической однородности (например, Δn<10–4), могут обладать только небольшие (несколько миллиметров) участки образца.
ВЫВОДЫ
В работе продемонстрировано значительное влияние силы тяжести на формирование пористой структуры силикатных матриц НПСМ и на распределение свободного объема пор по площади образца. Показано, что характер этого влияния не зависит от вида травления: в направлении силы тяжести расстояние между интерференционными полосами уменьшается, что ведет к увеличению эффективного показателя преломления в нижней части образца, расположенного в рабочем объеме вертикально.
Оптическая неоднородность образцов обусловлена влиянием химического травления и связана с удалением легкорастворимой фазы, обогащенной окислами бора и натрия, при кислотном травлении, и удалением "вторичного" кремнезема из области разрушения боратной фазы при щелочном травлении.
Как показал проведенный анализ, количественные данные изменения показателя преломления на единицу длины достаточно высоки, и оптически однородными можно считать только отдельные участки рабочей площади образца.
Практически важным результатом является использование метода цифровой голографической интерферометрии для исследования оптического качества нанопористых силикатных матриц. Разработанная методика исследования оптических характеристик НПСМ может быть применена для контроля образцов при разработке технологических режимов получения НПСМ с заданными значениями оптической однородности.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Андреева О.В., Быков Е.П., Исмагилов А.О., Pandya A., Щелканова И.Ю., Андреева Н.В. Нанопористые силикатные матрицы для голографии и биомедицины // Оптика и спектроскопия. 2021. Т. 129. № 4. С. 418–426.
Василевская Т.Н., Антропова Т.В. Изучение структуры стеклообразных нанопористых матриц методом рентгеновского малоуглового рассеяния // Физика твердого тела. 2009. Т. 51. № 12. С. 2386–93.
Андреева О.В., Обыкновенная И.Е. Нанопористые матрицы НПС-7 и НПС-17 – возможности использования в оптическом эксперименте // Наносистемы: физика, химия, математика. 2010. Т. 1. № 1. С. 37–53.
Manukhin B.G., Gusev M.E., Kucher D.A., Chivilikhin S.A., Andreeva O.V. Optical diagnostics of the process of free liquid convection // Optics and spectroscopy. 2015. V. 119. No. 3. PP. 392–397.
Островский Ю.И., Бутусов М.М., Островская Г.В. Голографическая интерферометрия. М.: Наука, 1977. 339 c.
Суханов В.И. Трехмерные глубокие голограммы и материалы для их записи // Оптический журнал. 1994. № 1. С. 61–70.
Андреева О.В., Обыкновенная И.Е., Гаврилюк Е.Р., Парамонов А.А., Кушнаренко А.П. Галогенидосеребряные фотоматериалы на основе пористых стекол // Оптический журнал. 2005. Т. 72. № 6. С. 37–45.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
