fotoasli.info
Главная

Стильные

Стильные

Текст научной статьи на тему «МЕТОД СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ»

НАНОМЕТРОЛОГИЯ

389:620.181.4

Метод спекл-интерферометрии для определения теплового расширения

наноматериалов

Т. А. КОМПАН, А. С. КОРЕНЕВ, Н. Ф. ПУХОВ, И. П. ГУРОВ,

Т. Ф. ДУДИНА, Н. Б. МАРГАРЯНЦ

Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева,

С.-Петербург, Россия, e-mail: TA.Kompan@vniim.ru С.-Петербургский государственный университет информационных технологий,

механики и оптики, С.-Петербург, Россия

Рассмотрен метод спекл-интерферометрии для бесконтактного определения температурного расширения наноматериалов с негладкой поверхностью. Приведены соотношения для расчета основных параметров оптико-электронной системы спекл-интерферометра на основе оптической схемы интерферометра Май-кельсона. Представлены результаты эксперимента по определению температурного удлинения исследуемого образца.

Ключевые слова: наноматериал, тепловое расширение, спекл-интерферометр.

The speckle interferometry method for non-contact determination of thermal expansion of nanomaterials with rough surface is considered. The relations for calculation of basic parameters of speckle interferometer optical-electronic system based on Michelson interferometer optical scheme are given. The experimental results of temperature elongation determination for the sample under study are presented.

Key words: nanomaterial, thermal expansion, speckle interferometer.

Развитие нанотехнологий — одно из приоритетных направлений науки. Ожидается, что создание и использование новых видов наноматериалов в ближайшие годы приведет к кардинальным изменениям во многих областях техники и технологии. Важно также, что объектом нанотехнологий являются не только малоразмерные объекты (пленки, кластеры), но и объемные материалы, модифицируемые с помощью нанотехнологий. Уже сейчас разработаны и находят применение различные материалы такого типа — наноке-рамики, специальные стали и т. д.

В некоторых случаях новые свойства наноматериалов обусловлены глубокими изменениями в самой природе исходных материалов, в частности, на квантовом уровне. Например, уменьшение размеров кристаллитов до масштаба нанометров ведет к появлению квантово-размерных эффектов — уменьшению температуры плавления, спектральному сдвигу полос люминесценции и экситонных полос поглощения, изменению динамики процессов фотовозбуждения, возникновению релаксации и электрооптических эффектов и т. д., что можно эффективно использовать в приборах.

Хорошо известно, что нанообъекты требуют специальных методов исследования и контроля. Иногда применение модифицированных методов необходимо и для контроля свойств объемных материалов, созданных с использованием нанотехнологий. В частности, такая потребность возникает, когда материал формируется непосредственно в процессе изготовления изделия и невозможно получить адекватные контрольные образцы стандартной конфигурации. Подобная ситуация наблюдается при измерении теплового расширения (стабильности размеров) материалов с малыми коэффициентами теплового расширения.

Для измерения температурного коэффициента линейного расширения (ТКПР) твердых материалов созданы прибо-

ры, в которых реализованы различные методы измерения удлинения исследуемого образца: оптические (интерференционные, компараторные); рентгеновские; механические (дилатометры с толкателями), — различающиеся между собой типом датчиков для регистрации удлинения (индуктивные, емкостные, оптические) [1]. Однако, когда значения ТКПР исследуемых материалов, включая наноматериалы, меньше 2 ■ 10-7 К-1, только использование высокочувствительных интерферометрических методов позволяет обеспечить контроль температурного расширения образцов с требуемой точностью [2, 3]. Метод интерференционной дилатометрии основан на точном интерференционном измерении температурного удлинения, при этом в соответствии с изменением длины образца регистрируются интерферометричес-кие сигналы (картины полос), по изменениям фаз которых определяют удлинение образца, выраженное в длинах волн оптического излучения.

Основное ограничение, характерное для классических интерференционных дилатометров, — необходимость изготовления образцов специальной формы. Это особенно существенно, если наноматериал не поддается точной механической обработке или полировке либо технология создания материала не позволяет получить его в достаточном объеме, в частности, из-за ограничений, вносимых технологическим процессом изготовления, или если наноматериал содержит дорогостоящие компоненты. Кроме того, поскольку в некоторых типах нанотехнологий материал создается в форме изделия, возникает необходимость измерять ТКПР непосредственно изделия, так как образцы материала могут просто не существовать.

Приведенные выше причины обусловливают необходимость разработки метода, с помощью которого можно измерить ТКПР изделий и материалов с произвольной фор-

мой образцов, что было недоступно в прежних реализациях интерференционных дилатометров.

Одно из возможных решений проблемы контроля образцов материалов и изделий с нерегулярной поверхностью состоит в применении разновидности интерференционного метода — спекл-интерферометрии, которая позволяет изучать случайные интерференционные поля, формируемые при диффузном отражении когерентной световой волны от нерегулярных поверхностей [4, 5]. Ввиду стохастического характера оптического поля извлечение информации из спекл-картины требует специальных методик и алгоритмов обработки данных.

Впервые возможность измерять тепловое расширение с использованием метода спекл-интерферометрии была продемонстрирована в семидесятых годах прошлого века

[6]. Однако тогда из-за невысокой точности метод не получил широкого развития. Современный уровень оптики и фотоники, измерительной техники и компьютерных технологий позволяет обеспечить формирование, регистрацию и обработку спекл-интерференционных полей с извлечением необходимой информации о температурном расширении исследуемого образца.

Ниже рассмотрены особенности применения метода спекл-интерферометрии для контроля температурного удлинения образцов с негладкой поверхностью без использования образца сравнения, что соответствует современным требованиям к определению ТКЛР наноматериалов.

Принцип построения спекл-интерферометра для контроля ТКЛР наноматериалов абсолютным методом. Известно (см., например [1, 3]), что в высокоточных интерференционных дилатометрах для абсолютных измерений ТКЛР используется схема интерферометра Физо (рис. 1, а), образованного двумя прозрачными пластинами М1 и М2, между которыми размещается образец исследуемого материала. При тепловом расширении образца изменяется оптическая длина пути волны, отраженной от поверхности верхней пластины М1 (со стороны образца) по отношению к оптической длине пути волны, отраженной от нижней пластины М2 (подставки). При этом измерение изменения разности фаз интерферирующих волн позволяет определять тепловое расширение образца с высокой точностью.

При контроле ТКЛР наноматериалов схема интерферометра Физо во многих случаях неприменима, поскольку образец или исследуемое изделие из наноматериала может иметь неплоский рельеф, негладкую поверхность или микроскопические размеры и размещение на нем верхней пластины весьма затруднительно или невозможно. Вследствие этого требуется использовать схему интерферометра Май-кельсона, в которой измерительная волна отражается непосредственно от поверхности образца, а опорная волна — от подставки образца (рис. 1, б).

При освещении шероховатой поверхности когерентным излучением происходит диффузное отражение с формированием картины спеклов [5]. Этот процесс (см., например

[7]) не сопровождается полной потерей информации о фазе предметной волны, поэтому метод спекл-интерферометрии можно использовать для контроля перемещений объектов с шероховатой поверхностью.

При тепловом расширении образца интенсивность и фаза спеклов динамически изменяются, причем изменения фазы характеризуют нормальное смещение поверхности образца. В процессе измерений требуется отслеживать из-

Рис. 1. Оптические схемы интерферометров Физо (а) и Майкель-сона (б) для определения температурного удлинения исследуемых образцов:

И — источник когерентного излучения; В — видеокамера; 01 — коллиматор; 02 — объектив; М1, М2 — прозрачные пластины

менения фазы отдельных спеклов. Поскольку контраст спек-лов при температурном расширении исследуемого образца изменяется случайным образом во времени и от спекла к спеклу, необходимо разделять спеклы по амплитуде и вычислять изменения фазы по набору спеклов [8, 9].

В отличие от традиционной схемы интерферометра Физо (см. рис. 1, а), при помощи которого наблюдают интерференцию плоских волн, использование спекл-интерферометра для контроля ТКЛР образцов с неплоским рельефом и негладкой поверхностью требует фокусировки на поверхности образца при помощи объектива 02 (см. рис. 1, б). Регистрация интенсивности отдельных спеклов, характеризующих нормальные смещения поверхности со сложным рельефом, обеспечивается видеокамерой.

Дефокусировка изображения в плоскости видеокамеры пренебрежимо мала при нормальном смещении поверхности образца вдоль оптической оси на малую величину. Пусть, например, перемещение не достигает половины длины волны X /2. Из-за изменения разности хода в интерферометре распределение интенсивности в пятнах спекл-структуры в плоскости видеокамеры изменится. Но когда перемещение достигнет X /2 и изменение оптической разности хода станет равным X, распределение интенсивности в пятнах восстановится, и спекл-структура окажется идентичной исходной, которая была до смещения поверхности образца. Спекл-струк-тура в плоскости видеокамеры восстанавливается всякий раз, когда разность хода принимает значение, равное целому числу длин волн.

Рассмотренное свойство использовано в спекл-интерфе-ренционном дилатометре [8], в котором регистрируются периодически изменяющиеся интерференционные полосы внутри отдельных спеклов, и удлинение образца выражается количеством длин волн, соответствующих нормальному смещению поверхности образца.

Отметим, ч

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Как сделать шуршалки из пакетов 378
Стильные
Стильные
Стильные
Стильные
Стильные
Стильные
Стильные
Стильные
Стильные
Стильные
Стильные
Стильные
Стильные
Стильные
Стильные
Теги:

Вязание крючком цветки без отрыва нити  Схема цирка на цветном бульваре официальный  Регулятор выпрямитель иж планета схема  Как сделать провод спиральным  Как сделать поддержку скинов на своём сервере  Пальто вязание крючком ютуб  Как сделать переносную перегородку в комнате  Открытка с раждением дочки  Подарки для жениха от родителей  Как сделать письмо от деда мороза своими  Натяжные потолки схема установки фото  Схема реле регулятор напряжения хонда дио  Изображения дизайна интерьеров в квартире  Кпп еатон 12 ступеней схема  

 Карта сайта