Технологии создания наноструктурных керамических материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Разработка технологии создания наноструктурных керамических материалов на основе окиси алюминия методом спекания при микроволновом нагреве

2. Разработка физических основ получения изделий из мелкодисперсной керамики методом точного формообразования при микроволновом нагреве

3. Разработка методов синтеза высокочистых слабоагрегированных наноразмерных оксидных порошков и спекания лазерной керамики с использованием микроволнового нагрева

4. Разработка метода спектральной оптической когерентной томографии (ОКТ)

5. Методы генерации сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения терагерцового и дальнего ИК диапазонов в лазерной плазме в газах высокого давления

6. Перечень услуг, предоставляемых центром коллективного пользования «Центр микроволновых и лазерных нанотехнологий»

7. Перечень организаций - пользователей оборудования ЦКП за отчетный период

Список использованных источников

Введение

Основной задачей ЦКП ИПФ РАН - «Центра микроволновых и лазерных нанотехнологий» является использование современных источников электромагнитного излучения от микроволнового до рентгеновского диапазона частот для разработки новых нанотехнологий, включая создание новых наноматериалов, разработку приборной и элементной базы для приложений в наноэлектронике и наноинженерии, развитие нанотехнологий живых систем. В рамках работ по программе в центре коллективного пользования удалось поднять эффективность научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ за счет совместного использования научного оборудования и экспериментальных установок, при выполнении исследований в кооперации с заинтересованными организациями. Согласно техническому заданию и календарному плану работ по первому этапу были выполнены работы по следующим направлениям.

наноструктурный керамика плазма микроволновой

1. Разработка технологии создания наноструктурных керамических материалов на основе окиси алюминия методом спекания при микроволновом нагреве

Интерес к созданию наноструктурных конструкционных керамик и композитов обусловлен сложившимися к сегодняшнему дню представлениями о существенном улучшении физико-механических свойств материалов при уменьшении кристаллитов до нанометровых размеров. Теоретически обоснованы физические явления, определяющие причины изменения таких механических свойств конструкционных материалов, как твёрдость, прочность, трещиностойкость, пластичность при переходе к нанометровым размерам структуры. В последние годы выполнен ряд работ, в которых продемонстрирована возможность получения керамических материалов, в том числе на основе оксидов металлов, с близкой к теоретической плотностью и нанометровым размером зерна (менее 100 нм). Однако использование исследовавшихся методов для массового производства изделий из наноструктурной керамики затруднено большими трудозатратами, малой производительностью их высокой стоимостью.

Одной из основных проблем процесса изготовления керамических изделий, формованных из наноструктурных порошков, является достижение высокой конечной плотности материала при сохранении ультрадисперсной микроструктуры. Перспективным представляется использование спекания при нагреве керамических и композиционных материалов микроволновым излучением. За счёт поглощения микроволнового излучения во всем объеме нагреваемого материала достигается высокая однородность температурного поля и, как следствие, однородное спекание, что обеспечивает получение однородной микроструктуры. Обусловленное однородным объемным нагревом отсутствие термических напряжений позволяет проводить процесс с высокими скоростями и ограничить разрастание зерна материала при его уплотнении. Применение микроволнового излучения с частотами 24 ГГц и выше позволяет эффективно нагревать материалы, слабопоглощающие излучение более низких частот (0,915 и 2,45 ГГц), без использования дополнительных методов нагрева.

В рамках выполнения проекта проведены исследования процесса получения керамик на основе оксидных наноразмерных порошков с использованием спекания в условиях нагрева микроволновым излучением частотой 24 ГГц.

В экспериментах использовались изготовленные в Институте электрофизики УрО РАН наноразмерные порошки Al₂O₃, ZrO₂, (AlMg)₂O₃ и Y₂O₃ полученные электровзрывом проволок алюминия, циркония и алюмо-магниевого сплава, соответственно. Основные характеристики порошков приведены в таблице 1. Фазовый состав порошков определялся по результатам рентгенофазового анализа дифрактограмм.

Таблица 1. Удельная поверхность, размер частиц и фазовый состав порошков.

Для приготовления композиционных составов оксидов из соответствующих мольных количеств порошков Al₂O₃, ZrO₂ и Y₂O₃приготавливались суспензии в изопропиловом спирте, из которых после перемешивания в ультразвуковом диспергаторе и выпаривания были получены однородные смеси порошков составов Al₂O₃+8вес.% ZrO₂, Al₂O₃+8вес.% (97мол.% ZrO₂+3мол.% Y₂O₃) и ZrO₂+3мол.% Y₂O₃.

Порошки и смеси порошков компактировались в Институте электрофизики УрО РАН методом одноосного магнитно-импульсного прессования в диски диаметром 15 и 30 мм, и толщиной 2 и 5 мм, соответственно. Плотности спрессованных образцов определялись по результатам их взвешивания и геометрическим размерам. При оптимальных давлениях прессования в интервале 1,4ч1,6 ГПа плотности образцов составляли 68ч73% от теоретического значения. Отметим, что образцы прессовались без использования связующих сред, наличие которых может приводить к загрязнению поверхности частиц порошка и особенно отрицательно сказывается на спекаемости образцов, компактированных из наноразмерных порошков.

Спекание компактированных образцов проводилось на специализированном гиротронном комплексе для высокотемпературной обработки материалов. Спекание образцов проводилось в воздухе, в режиме автоматического поддержания заранее заданного режима нагрева. На начальной стадии нагрева образцы выдерживались при температуре 400єС в течение 15 минут для удаления адсорбированной на частицах порошка воды. Скорость нагрева до температуры спекания составляла 30єС/мин, скорость контролируемого изменением мощности охлаждения равнялась 15єС/мин. Плотности спечённых образцов определялись методом Архимеда, взвешиванием в дистиллированной воде при температуре 20єС. Микроструктура протравленных шлифов спечённых образцов исследовалась на электронном микроскопе JEOL JSM-6490LV, а микроструктура изломов на атомно-силовом микроскопе «Смена» в режимах рельефа поверхности и фазового контраста. Измерение микротвёрдости и трещиностойкости проводилось по стандартным методикам анализа отпечатков индентора, полученных на измерителе механических свойств Nanotest 600 (Micromaterials Ltd).

Результаты экспериментов показали, что конечная плотность порядка и более 0,97 от теоретического значения (с_теор) в материалах на основе наноразмерного порошка A₂O₃ достигается при температуре спекания 1450єC, а в материале состава ZrO₂+(3%Y₂O₃) при температуре 1350єC. Время выдержки при температуре спекания составляло от 2-х минут для A₂O₃-образцов, до 15-ти минут для образцов состава Al₂O₃+8% (97%ZrO₂+3%Y₂O₃). Увеличение времени выдержки до 30-ти и более минут практически не приводило к увеличению конечной плотности материалов. В таблице 2 приведены режимы высокотемпературной стадии спекания и усредненные по серии спечённых образцов результаты измерения плотности (с/с_теор), микротвердости (Н_µ) и трещиностойкости (К_1С).

Таблица 2. Режимы высокотемпературной стадии спекания керамик, относительная плотность (с/с_теор), микротвердость (Н_µ) и трещиностойкость (К_1С) спечённых материалов.

Исследования микроструктуры керамик показало, что характерный размер зерна в спечённых материалах составляет 200ч300 нм. При этом, из анализа изображений, полученных на атомно-силовом микроскопе, в зёрнах крупного размера отчётливо проявляется мелкозёренная внутреняя структура. По-видимому, наличие структуры с характерными размерами несколько более сотни нанометров является причиной сравнительно высокой трещиностойкости, превышающей на 15ч20 процентов значения, типичные для керамических материалов соответствующих составов, получаемых из субмикронных порошков традиционными методами.

Методом износа испытуемых образцов в процессе сухого точения (резания) контртела была определена износостойкость образцов (AlMg)₂O₃-керамики. Для этого, механической шлифовкой и полировкой с использованием алмазных полировочных паст керамическим образцам придавалась форма треугольной режущей пластины. В качества контртел использовались цилиндрические заготовки из стали марки Ст45, закалённой до твёрдости 45 НRC, и из стали марки У8, закалённой до твёрдости 62 HRC. Резание заготовок проводилось на токарно-расточном станке 16А20Ф3С32 с ЧПУ FMS3000.

Скорость износа в режиме сухого резания изготовленными керамическими пластинами составила 2·10^-7 мм³/(мН) при обработке заготовки из закалённой стали Ст45 и 2,85·10^-7 мм³/(мН) при обработке заготовки из закалённой стали У8. Образцы полученной керамики по скорости износа удовлетворяют требованиям, предъявляемым к керамическим изделиям, предназначенным для трибологических применений (скорость износа в «мягком» режиме менее 10^-6 мм³/(мН).

2. Разработка физических основ получения изделий из мелкодисперсной керамики методом точного формообразования при микроволновом нагреве

Согласно современным теоретическим представлениям и экспериментальным данным при температурах T ? 0,5T_m (где T_m - температура плавления материала) и напряжениях у ? 10-³ч10-⁴ G (где G - модуль сдвига) в ультрамелкозернистых и особенно нанокристаллических материалах, в том числе и в керамических, наблюдается повышение пластичности. Освоение технологии производства объемных изделий из наноструктурных материалов, в которых повышенные механические и физико-химические свойства сочетаются с высокой пластичностью, может позволить существенно расширить сферу применения керамических и композиционных изделий в таких промышленных отраслях, как машиностроение, автомобиле- и авиастроение, энергетика. Повышенная пластичность наноструктурных материалов позволит в значительной степени упростить решение проблемы точного формообразования, являющейся особенно острой при изготовлении керамических изделий сложной формы. Как известно, стоимость операции финишной обработки керамических и композиционных изделий может достигать 80 % от общей стоимости их производства и сопряжена, помимо высоких энерго- и трудозатрат, со значительными нагрузками на экологию.

Проведено комплексное исследование пластической деформации сжатия при СВЧ нагреве плотных ультрадисперсных керамических материалов составов (AlMg)₂O₃ и Al₂O₃-8вес.%ZrO₂(3%Y₂O₃), и изучено изменение их механических свойств в процессе пластической деформации. Исследования проведены на керамических образцах, полученных спеканием при СВЧ нагреве компактов, прессованных из наноразмерных оксидных порошков, изготовленных в Институте электрофизики УрО РАН. Описание процедуры спекания и основных характеристик полученных керамических материалов приведено в разделе 2 данного отчёта. Экспериментальное исследование деформации керамических образцов проводились на технологическом гиротронном комплексе, работающем в режиме непрерывной генерации на частоте 24 ГГц с выходной мощностью до 5 кВт. Для изучения пластической деформации образцов в процессе их нагрева в микроволновом поле использовалось специально разработанное устройство одноосного сжатия. Прессовое устройство обеспечивало высокие механические напряжения при температурах образцов порядка 1500 єС. Точность измерения длины испытывавшихся образцов составляла ± 2,5 мкм. Вся система - образец в теплоизолирующем экране, вместе с термопарой и деформирующим устройством -размещалась в рабочей СВЧ камере гиротронного комплекса, датчик деформаций располагался вне камеры.

Исследования деформации образцов проводились в воздушной атмосфере, в режиме автоматического управления СВЧ мощностью в соответствии с задаваемыми режимами нагрева. Плотность исходных образцов, спечённых при температуре 1450 єС и выдержке в течение 5 минут, составляла 97-98% от теоретического значения; средний размер зерна находился в интервале 0,35 ч 0,55 мкм. Испытания спеченных материалов проводились на цилиндрических образцах диаметром 2,2 мм и высотой 3 мм при температурах в интервале 1200 - 1400 єС и напряжениях сжатия 20-80 МПа.

Измерения основных физико-механических характеристик образцов до и после деформации проводились методом индентирования на микротвердомере «Duramin - 2» «Struers». Из анализа экспериментальных данных определялись следующие характеристики керамических материалов: микротвердость H_м, нагрузка появления первых микротрещин, вязкость, коэффициент трещиностойкости К_1С, эффективная энергия разрушения, хрупкость. Были получены зависимости этих характеристик от температуры и длительности процесса спекания при СВЧ нагреве, а также параметров процесса деформации - величины нагрузки сжатия и температуры. Микроструктура образцов до и после деформации исследовалась на электронном микроскопе JEOL JSM-6490LV.

Экспериментальные зависимости изменения длины керамических образцов от времени в процессе сжатия получены в двух режимах: 1) при постоянной температуре и различных давлениях сжатия, 2) при постоянном давлении и ступенчато-изменяемой температуре. Определенные по полученным данным зависимости скорости деформации образцов от приложенного напряжения при различных температурах приведены на рисунке 2.1. В материалах обоих составов (AlMg)₂O₃ и Al₂O₃-8%ZrO₂(3%Y₂O₃) максимальные скорости деформации достигали 2•10-⁴ с^-1 при температуре 1400 єС и напряжениях порядка 60-80 МПа. Изменение продольного размера образцов при этих условиях превышало 70 % (рис.2.2). Из анализа микроструктуры материалов следует, что в процессе деформации при температурах 1300 - 1400 єС средний размер зерна возрастает примерно в 1,5 раза и составляет 500 - 700 нм.

Рисунок 2.1. Зависимости скорости деформации от давления для совокупности данных по сжатию образцов: «а», «б», «в» - керамика Al₂O₃-8вес.%ZrO₂(3%Y₂O₃) (температура 1300 єC), «г» - керамика (AlMg)₂O₃ (температура 1300 єC), «д» - керамика Al₂O₃-8вес.%ZrO₂(3%Y₂O₃) (температура 1400 єC).

Рисунок 2.2. Деформация образца при микроволновом нагреве: слева - исходный образец, справа - образец после сжатия при напряжении 60 МПа и температуре 1400 єC. Изменение высоты образца, е = ????₀, составляет 74%.

Физико-механические свойства образцов керамики (AlMg)₂O₃ после деформации сжатия (напряжение - 30 МПа, температура - 1300 єС, деформация - 8%) снижаются: наряду с увеличением микротвердости наблюдается уменьшение коэффициента трещиностойкости и эффективной энергия разрушения. Заметных изменений физико-механических характеристик образцов керамики Al₂O₃-8%ZrO₂(3%Y₂O₃) после деформирования (напряжение - 30-80 МПа, температура - 1300 єС, деформация - 17 ч 25%) не наблюдается: отличие характеристик исходных и деформированных образцов не превышает 5 %.

Одной из характеристик, используемых для анализа механизмов деформации поликристаллических материалов, является энергия активации процесса деформации Q, которая может быть определена из выражения:

dе /dt = А(уⁿ / d^p)•exp(-Q / RT) (1),

где dе /dt - скорость деформации, d - размер зерна, у - приложенное напряжения; n и р - показатели степени в зависимости скорости деформации от напряжения и размера зерна, соответственно; T - абсолютная температура, R - газовая постоянная, А - постоянный коэффициент. Из анализа экспериментальных данных следует, что величина энергии активации равна 330 и 435 кДж/моль для керамик (AlMg)₂O₃ и Al₂O₃-8%ZrO₂(3%Y₂O₃), соответственно. Эти значения заметно ниже характерных значений энергии активации для керамики на основе оксида алюминия, деформируемой в условиях традиционного нагрева. Анализ полученных данных показывает, что значения показателей n и p в выражении (1) равны: n = 1 и р = 3. Как известно, выражение (1) с указанными значениями показателей n и p описывает механизм деформации, называемый диффузионной ползучестью Кобла, который контролируется зернограничной диффузией. Отметим, что скорость зернограничной диффузии в ионных кристаллах, к классу которых относится окись алюминия, может значительно возрастать при нагреве микроволновым излучением. Активация микроволновым полем процессов зернограничного массопереноса позволяет надеяться на заметное снижение температуры обработки в технологических задачах формования плотных керамических материалов.

Полученные результаты позволяют определить оптимальные при СВЧ нагреве условия высокотемпературной одноосной сверхпластичной деформации алюмооксидной керамики со скоростями, представляющими интерес для технологического процесса точного формообразования изделий.

3. Разработка методов синтеза высокочистых слабоагрегированных наноразмерных оксидных порошков и спекания лазерной керамики с использованием микроволнового нагрева

На основе термодинамических исследований двухфазных химически реагирующих систем выбраны наиболее подходящие элементоорганические соединения алюминия, иттрия и неодима для получения их оксидов. Отработаны методики, синтезированы и очищены стабильные изо-пропилаты Al, Y, Nd. Методом высокотемпературного окисления в пламени водородно-кислородной горелки из приготовленных растворов заданных составов получены высокочистые нанопорошки Y₃Al₅O₁₂, легированные оксидом неодимом (III), в количествах достаточных для их последующего компактирования и изготовления образцов оптической керамики.

Для изготовления порошков использовали коммерческие нитраты иттрия и неодима и изопропилат алюминия, синтезированный в Институте химии высокочистых веществ. Из указанных реактивов были получены гетерометаллические комплексы алюминия, иттрия и неодима с соотношением металлов, соответствующим алюмоиттриевому гранату. 2% иттрия было заменено на неодим. Комплексы представляли собой вязкую жидкость, включающую окислительные нитрогруппы и органические лиганды в качестве топлива. Порошки были получены методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. После теплового инициирования процесса происходила интенсивная реакция между органической частью комплексов и нитрогруппами с обильным газовыделением. Шихта представляла собой рыхлую массу, коричневый цвет образца был обусловлен непрореагировавшим углеродом. После выжигания органических остатков в течение 2 часов при 800°С проведены термический и рентгенофазовый анализ шихты. Образец представлял собой алюмоиттриевый гранат без включения посторонних фаз. Однако термический анализ показал наличие остаточных летучих продуктов, которые десорбировались при температуре выше 1000°С. В связи с этим шихта была прокалена при 1100°С в течение 30 мин., скорость нагрева и охлаждения 10 К/мин. Электронной микроскопией было установлено, что основная доля частиц порошка (свыше 70 %) имеет размеры от 80 до 120 нм, максимальный размер достигает 180 нм. Форма частиц округлая, несколько вытянутая.

Экспериментальные исследования спекания образов оксидной керамики выполнялись на специализированном гиротронном комплексе, работающем на частоте 24 ГГц с регулируемой СВЧ мощностью до 5-ти киловатт. Нагрев образцов проводился в автоматическом режиме по заранее заданному оператором температурно-временному режиму. Рабочая камера комплекса откачивалась форвакуумным насосом 2НВР-5Д, снабжённым азотной ловушкой, до давления порядка 10^-2 Торр.

Исследовалось спекание компактированных образцов, полученных в Институте электрофизики УрО РАН (керамика составов Nd:Y₂O₃), Институте радиоэлектроники РАН и Институте химии высокочистых веществ РАН (керамические образцы состава Nd:YAG). Образцы представляли собой диски диаметром 1530 мм и толщиной порядка 24 мм. Режимы спекания варьировались по скорости нагрева образцов в интервале 3 ч 10єС/мин, температуре спекания в интервале 1700 ч 1900єС и временах выдержки от 2-х до 20-ти часов. По истечении заданной выдержки СВЧ-мощность автоматически отключалась и образец остывал вместе с окружающей его засыпкой. Скорость остывания на начальном участке, до температуры Т=1400єС, во всех случаях превышала 25/мин.

Поверхности спечённых образцов сошлифовывались (толщина сошлифованного слоя - 0,1 мм) и полировались по 14-му классу чистоты. Коэффициент пропускания Т(л) оптического излучения в диапазоне 0,41 мкм измерялся на спектрофотометре СФ-2000 с точностью 1% при диаметре светового пучка 4ч5 мм. На некоторых образцах в Институте электрофизики УрО РАН проведены измерения коэффициента экстинкции k на длине волны 1,07 мкм и оценена пористость керамики по анализу изображений, полученных на электронном микроскопе. У части образцов оценен размер зерна, по изображениям, полученным на электронном и оптическом микроскопах.

Переданные Институтом электрофизики УрО РАН образцы для спекания различались процедурой их изготовления и содержанием неодима.

Коэффициент экстинкции излучения порядка и менее 1см^-1 и пористость порядка 20 ppm достигается уже при температуре Т = 1750єС и времени выдержки 3 часа. Увеличение времени выдержки до 20-ти часов и температуры спекания до 1875єС не приводит к увеличению коэффициента пропускания излучения. Средний размер зерна увеличивается с 8-10 мкм в керамике, полученной в режиме Т = 1750єС, t = 3 часа, до размера порядка 200-250 мкм в керамике, спечённой в режиме Т = 1750єС, t = 20 часов. На образце, спекавшемся при температуре Т = 1900єС в течение 4-х часов, получены наименьший коэффициент экстинкции, равный 0,045см^-1, и наибольший коэффициент пропускания излучения.

В настоящее время проводятся исследования по получению лазерной генерации на образцах оптически прозрачной керамики.

4. Разработка метода спектральной оптической когерентной томографии (ОКТ)

Реализация скоростного метода оптической когерентной томографии (ОКТ) на основе спектрального анализа интерферирующего оптического поля, позволяет более чем на порядок повысить скорость получения изображений внутренней структуры биологических сред. На первом этапе реализован метод спектральной ОКТ на основе волоконно-оптической схемы интерферометра Майкельсона для отработки методики спектрального анализа и программных средств. Проведено исследование влияния неэквидистантности отсчетов принимаемого оптического спектра на точность восстановления распределения сигнала рассеяния в глубину. Показано, что в случае цифровой коррекции искажений, вызванных неэквидистантностью спектральных отсчетов, время получения одной строки изображения в картине рассеяния обусловлено в основном вычислительными задачами. Для повышения скорости получения ОКТ изображений до видеостандарта в реальном времени (до 20 кадров в секунду) предложено использовать более быстрый аналоговый метод линеаризации спектральных отсчетов на основе призменного компенсатора (ПК). Анализ параметров ПК показал возможность реализации спектрально-обусловленного пространственного разрешения в глубину. На втором этапе исследования рассмотрена возможность реализации метода спектральной ОКТ на основе оптической схемы, содержащей интерферометры Физо и Майкельсона. Произведены оценки уровня шума и динамического диапазона системы и получено хорошее соответствие с экспериментальными результатами. Предложен способ оптимизации временных параметров системы в соответствии с предложенной моделью шумов.

Компенсация искажений, вызванных неэквидистантностью спектральных отсчетов

В спектральном методе ОКТ изображение формируется с помощью обратного Фурье-преобразования оптического спектра интерференции опорного и рассеянного объектом излучения. Для достижения заявляемых высоких скоростей [1] при восстановлении изображения используется быстрое Фурье-преобразование, предполагающее строгую эквидистантность спектральных отсчетов по аргументу (оптической частоте), что в реальных системах реализуется лишь с некоторой степенью точности. В спектрометре на дифракционной решетке неэквидистантность достигает нескольких процентов от полного спектрального диапазона (при величине спектрального диапазона около 100 нм). Подобная неэквидистантность приводит к существенному уменьшению продольного пространственного разрешения с глубиной (уширение в разы по отношению к спектрально ограниченному значению).

Неэквидистантность спектральных оптических отсчетов может быть устранена последующей цифровой обработкой [2-4] однако высокая вычислительная емкость численных методов передискретизации не позволяет реализовать прибор спектральной ОКТ работающий в режиме реального времени на вычислительной машине потребительского класса. В связи с этим был предложен метод аналоговой компенсцации неэквидистантности спектральных отсчетов с помощью оптической призмы с углом при основании б. В отличие от предложенной конфигурации в [5], призма развернута под некоторым углом в к плоскости дифракционной решетки (Рис.4.1.)

Такая конфигурация спектрометра позволяет компенсировать неэквидистантность спектральных отсчетов с необходимой точностью в требуемом диапазоне длин волн подбором углов б и в. При этом для каждого угла б существует два угла в, при которых ширина восстанновленной функции принимает минимальное значение (Рисунок 4.2). Необходимо отметить наличие абсолютного минимума зависимости ширины восстановленной функции от параметров б и в.

Рисунок 4.1 Оптическая схема спектральной ОКТ на основе интерферометра Майкельсона с аналоговой компенсацией неэквидистантности оптических спектральных отсчетов .

Как видно из Рисунка 4.2, существует некоторая ограниченная область параметров, в которой достигается компенсация неэквидистантности, близкая к минимальной. Была выделена область параметров, в которой достигается удовлетворительная компенсация. Показано, что размер этой области зависит от числа необходимых спектральных элементов и полной ширины принимаемого спектра излучения. Было также показано, что учет дисперсионных характеристик материала призмы приводит лишь к незначительной поправке для оптимальных углов a и b (около десятых долей градуса).

Экспериментальная апробация возможности компенсации неэквидистантности спектральных отсчетов была проведена на схеме спектральной ОКТ на основе интерферометра Майкельсона с офтальмологическим вариантом зонда, позволяющим строить изображение сетчатки глаза человека (л = 830 нм). Внешний вид части оптической схемы - спектрометра приведен на Рисунке 4.3. На макете установки получены изображения со скоростью порядка 40 кадров 250х250 точек в секунду (Рисунок 4.4) в реальном времени, которые по качеству не уступают изображениям, полученным в работах [4, 6].

Рисунок 4.2 Зависимость остаточной неэквидистантности от параметров a, b (при источнике l=1300 нм, Dl=100нм): а) 3D - представление; б) положение локальных минимумов b₁ и b₂ - синие кривые, и соответствующие им значения относительной остаточной неэквидистантности спектральных отсчетов в % от полной щирины спектра источника света - красные кривые.

Рисунок 4. 3. Внешний вид спектрометра.

Оптимизация метода спектральной оптической когерентной томографии на базе интерферометров Физо и Майкельсона

Рисунок 4. 4. Изображения сетчатки глаза человека в области желтого пятна.

В проекте был сделан анализ шумовых характеристик для схемы спектральной ОКТ на базе интерферометров Физо и Майкельсона (Рисунок 4.5), аналогичный тому, который был сделан для интерферометра Майкельсона [3, 7, 8]. Физическая возможность создания идентичных, взаимозаменяемых эндоскопических зондов заключается в использовании в качестве измерительного воздушный интерферометр Физо, а в качестве компенсирующего - интерферометр Майкельсона [9, 10]. Интерферометр Физо, в котором одним из отражателей является оптическая поверхность выходного торца волокна зонда, а вторым - исследуемый объект, не содержит среды с материальной дисперсией (кроме объектива и исследуемого объекта), вследствие чего отпадает необходимость компенсации дисперсии материала оптического волокна зонда. Кроме того, оптические схемы с интерферометром Физо содержат общий оптический путь для опорной и сигнальной волн, который не вносит искажений в интерференционный сигнал. Отличительной особенностью схемы, использующей в качестве измерительного интерферометр Физо, является невозможность произвольного изменения мощности опорной волны, что, в свою очередь, накладывает существенные ограничения на возможность оптимизации параметров такой схемы. При анализе были сделаны общие выводы о природе основных шумов такой системы, о возможных путях оптимизации параметров системы и о наличии ограничений, связанных с конечным значением емкости принимающих фотоэлементов. В результате проведенных исследований было показано, что в условиях реального источника излучения, приемника и потерь излучения в оптическом тракте в спектральной ОКТ-системе на основе интерферометра Физо с компенсирующим воздушным интерферометром Майкельсона возможна реализация в дробовом пределе приема и отображения ОКТ-изображений со скоростью до 30 кадров в секунду с 256х256 элементами с динамическим диапазоном около 40 дБ (Рис. 4.5, 4.6).

Рисунок 4.5. Схема эксперимента. 1 - ширикополосный источник света, 2 - оптический изолятор, 3 - 3дБ ответвитель, 4 - воздушный дополнительный интерферометр Майкельсона, 5 - оптический циркулятор, 6 - сканер (базовый интерферометр Физо), 7 - спектрометр, 8, 11 - ахроматический дублет, 9 - дифракционная решетка, 10- компенсирующая призма, 12 - ПЗС-линейка, 13 - исследуемый объект.

5. Методы генерации сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения терагерцового и дальнего ИК диапазонов в лазерной плазме в газах высокого давления

В последнее время ведутся активные исследования возможности использования терагерцового излучения в области материаловедения, контроля состояния окружающей среды, дистанционной идентификации взрывчатых и опасных химических веществ и т.д. [11].

Рисунок 4.6. Восстановленный сигнал от резкой границы, полученный в системе спектральной ОКТ -1; численная модель - 2.

Неионизирующий характер терагерцового излучения (ТИ) открывает широкие возможности для его использования в биологии и медицине; прошедшее и отраженное от биологических объектов излучение несет значительную информацию для анализа. Измеряя спектральные характеристики (амплитудные и фазовые) прошедшего излучения (например time-domain методами) удается исследовать структурные особенности объектов.

Один из переспективных методов генерации ТИ связан с детектированием фемтосекундных лазерных импульсов при оптическом пробое газов [12-15]. В работе [16] и последующей [17] было предложено использовать лазерную искру, создаваемую при аксиконной фокусировке оптического излучения в атмосфере, для генерации ТИ.

Для генерации и регистрации ТГц излучения используется фемтосекундная лазерная система «Spitfire» обладающая следующими параметрами: энергия импульсов - 2,5 мДж, длительность - 50 фс, центральная длина волны - 780 нм, частота следования импульсов - 1кГц, диаметр лазерного пучка - 12 мм. Фемтосекундные лазерные импульсы фокусируются аксиконной линзой из плавленого кварца с углом при основании 15⁰. В фокальной области аксикона возникает искра длиной ~ 15 мм. С помощью тефлонового аксикона и системы параболических зеркал генерируемые низкочастотные импульсы фокусируются на поверхность электрооптического кристалла, который служит в качестве детектора терагерцового излучения. На рисунке 5.1a изображена типичная временная зависимость поля импульса низкочастотного электромагнитного излучения. Энергия импульса сосредоточена практически в одной осцилляции поля с масштабом порядка 1 пс. Соответствующий спектр приведен на рисунке 5.1b. Зависимость энергии терагерцового излучения от энергии лазерного импульса носит ярко выраженный пороговый характер (рисунок 5.1c).

Порог генерации терагерцового излучения, по-видимому, определяется порогом ионизации (появление значительного количества заряженных частиц). При использовании излучения с циркулярной поляризацией вместо линейной, пороговое значение поля возрастает в два раза. Увеличение энергии возбуждающего лазерного импульса выше порогового значения сопровождается возрастанием амплитуды ТИ по линейному закону.

При достижении максимальной для данной установки амплитуды импульса накачки наблюдается тенденция к насыщению роста амплитуды ТГц излучения. Увеличение длительности лазерного импульса при постоянной его энергии приводит к уменьшению эффективности генерации. При наложении постоянного электрического поля заметного увеличения терагерцового сигнала не наблюдается. Для измерения диаграммы направленности и поляризации терагерцового излучения в качестве детектора использовался InSb болометр.

Диаграмма направленности ТГц излучения определялась при помощи непроницаемого экрана с отверстием, который крепился на двухкоординатной подвижке и перемещался в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения. Видно (см. рисунок 5.2a), что диаграмма направленности терагерцового излучения представляет собой конус с углом раскрыва, примерно совпадающим с углом фокусировки аксиконной линзы. Для исследования поляризационных характеристик терагерцового излучения использовался поляризатор. Преимущественное направление поляризации определялось по величине сигнала при вращении поляризатора вокруг оси. Исследование показало что излучение линейно (радиально) поляризовано (см. рисунок 5.2b).

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что порог генерации ТИ связан с оптическим пробоем газа. Длительность терагерцового импульса заметно превышает длительность фемтосекундного импульса. Это означает, что источником ТИ являются колебания плазменного столба, возникающие в процессе оптического пробоя. Для определения источника ТИ рассмотрим последовательно процессы, происходящие в системе.

Сначала исследуем формирование плазменного столба в самосогласованном режиме, взаимодействия лазерного излучения с плазмой. На втором этапе рассмотрим возбуждение колебаний плазменного столба. На заключительном, третьем этапе проанализируем структуру поля излучения плазменного следа.

Для описания самосогласованной эволюции лазерного импульса в условиях пробоя воспользуемся следующим уравнением:

(1)

где - концентрация ионов плазмы, - сопутствующее время, определенное как

Уравнение (1) описывает безотражательное (, - плазменная частота) распространение квазимонохроматического импульса вдоль трассы в малоугловом приближении. Излучение предполагается поляризованным линейно, поэтому уравнение (1) записано в скалярном виде. Основным нелинейным эффектом при распространении импульса является рефракция лазерного излучения на образующейся плазме. Поляризация возникающей плазмы на оптической частоте описывается правой частью уравнения (1).

Для описания изменения плотности плазмы мы использовали модель туннельной ионизации [18]. Она является предпочтительной для лазерных полей в проводимых нами экспериментах. В пренебрежении слабой зависимостью предэкспоненциального множителя от поля [19] уравнение для скорости ионизации принимает вид:

где - характерное атомное поле, - характерная атомная частота, - концентрация нейтралов (здесь предполагается, что ионизуются молекулы кислорода, так как они имеют меньший потенциал ионизации, чем молекулы азота.).

В качестве начальных условий, моделирующих поле лазерного импульса на оси аксиконной линзы, задавалось следующее распределение поля:

где - угол сходимости лучей, или угол при основании аксиконной линзы, - радиальная координата в циллиндрической системе координат. - радиус импульса накачки перед линзой, а - его длительность. Видно что, вблизи оси системы () уравнение (1) с начальным условием (4) описывает импульс, распространяющийся со скоростью , совпадающей с реальной сверхсветовой скоростью волнового пакета при аксиконной фокусировке в малоугловом приближении.

Результаты численного моделирования процесса фокусировки приведены на рисунке 5.3a. Рефракция ионизующего излучения на плазме приводит к насыщению интенсивности поля в фокальной области и образованию подковообразной структуры поля. В результате рост концентрации плазмы прекращается начиная с некоторого значения трассы распространения импульса (см. рисунок 5.3d). В рассматриваемом режиме слабого поглощения имеет место уширение плазменного столба, определяемое сохранением потока энергии. Обсуждаемые здесь процессы самовоздействия оптического излучения заметно отличают рассматриваемую ситуацию от исследуемой в работах [16], [17]

Далее рассмотрим возбуждение малых колебаний электронов плазменного столба. Для этого воспользуемся системой уравнений гидродинамики для медленных (в масштабе оптического периода) тока и концентрации:

где , - радиальный ток (), - потенциал разделения зарядов, подчиняющийся уравнению Пуассона

a - пондеромоторный потенциал лазерного импульса накачки. Источником плазменных колебаний в данном случае является усредненная (по периоду оптического поля) сила. Использование системы уравнений (5)-(7) оправдано в случае аксиконной фокусировки следующими обстоятельствами. Во-первых, поперечный градиент интенсивности поля оказывается значительно больше продольного. Во-вторых, столкновительный механизм возбуждения продольного тока и ТИ [5] в условиях эксперимента подавлен, так как частота столкновений мала по сравнению с частотой ТИ. В силу аксиальной симметрии задачи далее будем рассматривать возбуждение радиальных колебаний электронов в заданном распределении ионов . При однородном распределении ионов внутри цилиндрического столба колебания электронов происходят, очевидно, на частоте . В случае неоднородного распределения ионов, которое возникает в самосогласованном режиме взаимодействия ионизующего лазерного излучения с воздухом, частота колебаний плотности заряда в плазменном столбе становится функцией поперечной координаты (см рисунок 5.3b). Последствия этого обсудим ниже.

Расчет структуры поля излучения плазменного столба проведем в предположении, что длина волны ТИ много больше характерного поперечного размера плазменного столба. Выражение для поля излучения в дальней зоне имеет вид:

где - расстояние до точки наблюдения, - вектор направления, - спектр электронного тока, расчитанный на основе гидродинамической модели. Слагаемое в показателе экспоненты в выражении (8) связано с тем что функция тока задана в сопутствующих координатах (2). Отсюда для амплитуды терагерцового поля, излучаемого радиальными колебаниями плазменного следа, можно получить:

где - пространственный спектр погонного излучающего момента , определенного следующим соотношением:

Выражение (9) получено для излучателя в виде бесконечно тонкой нити. Как видно из представленного решения поляризация излучения линейна и имеет радиальную структуру, что находится в согласии с экспериментальными результатами на рис.6.2b. Для получения представления о диаграмме направленности ТИ, момент аппроксимируем следующим выражением:

где - скорость движения пакета в сопутствующей системе координат, - характерная длина аксиконной искры, - время, в течение которого поперечные колебания плазмы имеют существенный излучающий момент . Нетрудно видеть что диаграмма () имеет вид конуса с осью, совпадающей с осью системы , и углом равным углу сходимости лучей импульса накачки. Длина развития процесса (размер фокальной области) определяет ширину диаграммы направленности. Так при увеличении длины фокальной перетяжки (например при увеличении апертуры импульса накачки c сохранением его интенсивности) излучение становится более направленным.

На рисунке 5.3c видно, что источник терагерцового излучения существует конечное время за лазерным импульсом. Даже в отсутствие диссипации имеет место затухание колебаний излучающего момента связанное, по-видимому, с «перемешиванием» в поперечно неоднородном плазменном столбе (сравни рисунки 5.3b и 5.3c). Видно, что полученный при численном моделировании результат находится в хорошем качественном соответствии с аппроксимацией (11), поэтому выводы сделанные для модели справедливы и для излучения, рассчитанного численно. Для упрощения численного моделирования выбирались минимальные апертуры, при которых процесс распространения лазерного импульса и генерации терагерцового излучения выходит на стационарный режим.

В целом совокупность экспериментальных данных находится в хорошем соответствии с результатами теоретического исследования генерации ТИ на основе предложенной модели. Характерной особенностью процесса генерации является наличие порогового значения амплитуды лазерного излучения (см. рисунок 5.1c). Вычисления дают для зависимости амплитуды ТИ от энергии лазерного импульса поведение сходное с полученным экспериментально (см. рисунок 5.1b и рисунок 5.3e). Для объяснения такого поведения принципиальным оказался учет рефракции оптического излучения на возникающей плазме. Теория дает более низкое значение пороговой энергии фемтосекундного импульса (примерно вдвое). Это обстоятельство связано, видимо, с аппроксимацией скорости ионизации выражением (3). Оно проявляется и в другом. Резкая зависимость темпа ионизации от поля приводит к завышенному значению (по сравнению с экспериментом) для характерной частоты ТИ (примерно на порядок). Экспериментальные данные о поляризации ТИ дополнительно свидетельствуют в пользу механизма излучения связанного с радиальными колебаниями плазменного следа. Численные расчеты подтверждают этот вывод, и конусную структуру диаграммы направленности ТИ. Последнее обстоятельство и связь его с черенковским излучением обсуждалась еще в [16].

Рисунок 5.1. a - зависимость амплитуды терагерцового сигнала от времени, полученная на некотором расстоянии от оси системы, b - спектр терагерцового импульса, c - зависимость амплитуды терагерцового импульса от энергии импульса накачки.

Рисунок 5.2. Распределение мощности (a) и поперечной компоненты вектора поляризации (b) терагерцового излучения в плоскости перпендикулярной оси системы на расстоянии см от искры.

Рисунок 5.3. a, b - зависимость интенсивности () лазерного излучения и электронного тока от сопутствующего времени и поперечной координаты при значении трассы отмеченном пунктиром на рис c., c - зависимость излучающего момента от сопутствующего времени и трассы ; d - зависимость плотности ионов от поперечной координаты и трассы при соответствующих окончанию оптического импульса, e - зависимость мощности терагерцового излучения от энергии лазерного импульса.

6. Перечень услуг, предоставляемых центром коллективного пользования «Центр микроволновых и лазерных нанотехнологий»

Одной из основных задач центра является повышение эффективности научно- исследовательских и опытно конструкторских работ путем предоставления сторонним организациям доступа к существующему и вновь запускаемому оборудованию центра. Центр обеспечивает представление услуг по трем направлениям: использование сторонними организациями для проведения испытаний и исследований уникальных установок и стендов ЦКП, проведение работ с использованием оригинальных технологий и технологического оборудования ЦКП, использование сторонними организациями оригинальных метрологических разработок, методов аналитических исследований и средств измерения.

Кроме того, оборудование ЦКП систематически используется в учебном процессе для выполнения: лабораторных работ студентами старших курсов, в профориентационной работе с молодежью - ежегодно проводятся ознакомительные экскурсии для школьников города Н. Новогорода.

ЦКП предлагает для использования сторонними организациями следующие установки и стенды

· Фемтосекундные лазерные стенды для облучения мишеней (газовых, твердотельных) оптическим излучением с мощностью около 500ТВт (1 импульс в 30 минут), с мощностью 1ТВт (частота повторения 10Гц), с мощностью 0.1ТВт (частота повторения 1кГц).

· Экспериментальные комплексы на основе гиротронов и карсинотронов для облучения мишеней импульсным электромагнитным излучением с мощностью до 1ГВт (сантиметровый диапазон длин волн, длительность импульса десятки наносекунд) и до 1МВт (миллиметровый диапазон, длительностью до 1 секунды).

· Оптический когерентный микроскоп для исследование биофизических процессов на уровне клетки.

Оригинальные технологии и технологическое оборудование, предоставляемые центром

· Специализированные гиротронные комплексы микроволновой обработки материалов для исследования процессов взаимодействия интенсивного микроволнового излучения с широким классом диэлектрических, полупроводниковых и металлических материалов, разработка методов создания новых материалов. Исследования можно проводить при мощностях микроволнового излучения 3-15 кВт в частотном диапазоне 24-84 ГГц при объеме рабочей камеры 100 л и более в диапазоне давлений 2 - 10^-5 атм; точность автоматического поддержания температуры в процессах высокотемпературной обработки материалов 0,3%.

· Выращивание поликристаллических алмазных пластин толщиной 0.5-1 мм и диаметром 50-75 мм из газовой фазы в плазме СВЧ разряда для различных применений, в том числе для использования в качестве теплоотводящих подложек в электронной аппаратуре.

· Обработка поверхности алмазных пленок и пластин до шероховатости поверхности по 10-12 классу (Ra = 0.04-0.06).

· Экспериментальный стенд для генерации и регистрации сверхкоротких импульсов электромагнитного поля в терагерцовом диапазоне с помощью фемтосекундных лазерных импульсов.

· Сильноточные источники ионов и интенсивные потоки неравновесной плазмы для модификации поверхностей на основе ЭЦР разряда, поддерживаемого мощным миллиметровым излучением гиротронов.

· Стенд для микромодификации поверхности и объема широкого класса веществ с помощью фемтосекундных лазерных импульсов.

· Стенд для измерния оптических и термооптических характеристик среды в диапазоне температур от 77 до 300К.

· Стенд для измерения контраста фемтосекундного импульса в интервале до 10нс с динамическим диапазоном 8 порядков.

· Волоконная фемтосекундная лазерная система мощностью до 20 Вт для микроструктурирования материалов и генерации терагерцового излучения.

· Стенд неразрушающего контроля поверхности (микрошероховатости и плоскостности) оптических поверхностей и исследования микро- и наноструктур с разрешением по глубине ~ 1 ангстрем и менее 1 микрона по горизонтали и с размером изучаемой области до ~ 1 х 1,5мм. Размер исследуемых деталей до~ 40x40см.

· Параллельное преобразование аналоговых сигналов для задач обработки информации и нейрокомпьютинга.

Аналитические методы исследования и средства измерений

· Исследование динамики релаксации фотовозбужденных состояний вещества с субпикосекундным временным разрешением методом возбуждения-зондирования в ИК и терагерцовом диапазонах.

· Исследование нелинейных и электрооптических свойств новых материалов с субпикосекундным временным разрешением.

· Исследование действительной и мнимой части диэлектрической восприимчивости твердотельных, жидких и газообразных образцов методами терагерцовой импульсной спектроскопии в диапазоне 0.2-2 ТГц.

· Измерение диэлектрических свойств жидких, твердых и газообразных диэлектриков в ММ и СубММ диапазоне длин волн, включая измерения в широком диапазоне коэффициента поглощения газов, тангенса потерь и показателя преломления в твердых и жидких диэлектриках, а так же для измерения коэффициентов отражений металлов, сплавов и металлических покрытий.

· Разработанные методы оптической диагностики патологических процессов на молекулярном, клеточном, тканевом и организменном уровнях на базе инвертированного микроскопа для работы в проходящем свете

- разработка методов направленной доставки в организме полифункциональных агентов на основе моноклональных антител флуоресцентных соединений относящихся к различным классам, с целью определения возможности их применения в диагностике;

- разработка модельных систем для оценки эффективности терапевтических методов воздействия с использованием флуоресцентных белков;

- оценка цитотоксического эффекта диагностических и терапевтических агентов.

· Исследование динамики релаксации фотовозбужденных состояний вещества с субпикосекундным временным разрешением методом двухцветного возбуждения-зондирования в диапазоне длин волн 500-2600 нм.

· Методика по определению толщины и линейных размеров объектов методами оптической микроскопии.