научная статья по теме ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕТЕРОФАЗНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СТЕКЛАХ, НЕ ПРОЗРАЧНЫХ В ВИДИМОМ ДИАПАЗОНЕ Химия

Текст научной статьи на тему «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕТЕРОФАЗНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СТЕКЛАХ, НЕ ПРОЗРАЧНЫХ В ВИДИМОМ ДИАПАЗОНЕ»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2008, том 44, № 7, с. 878-882

УДК 53.082.5+54-161.6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕТЕРОФАЗНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СТЕКЛАХ, НЕ ПРОЗРАЧНЫХ В ВИДИМОМ ДИАПАЗОНЕ

© 2008 г. Л. А. Кеткова, А. В. Курилин, М. Ф. Чурбанов

Институт химии высокочистых веществ Российской академии наук, Нижний Новгород Поступила в редакцию 11.10.2007 г.

Для определения концентрации и размеров гетерофазных включений субмикронного размера в объеме высокочистых стекол, не прозрачных в видимом диапазоне, разработана аппаратура и методика лазерной ультрамикроскопии с цифровой фоторегистрацией излучения с длиной волны 0.98 мкм, рассеянного отдельными включениями. Работоспособность методики проверена на тестовых системах. Предел обнаружения включений по размеру составил n х (10-100) нм в зависимости от величин показателя преломления включений и стекла, интервал определяемых концентраций 102-109 см-3, максимальная глубина сканирования образца ~1 см. C помощью разработанной методики исследована микрооднородность образцов стеклообразного селена и стекол системы As-S-Se.

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость контроля концентрации и размеров гетерофазных включений в высокочистых оптических стеклах связана с их существенным влиянием на оптические потери [1, 2]. Для дисперсного анализа прозрачных в видимом диапазоне материалов применяются оптическая микроскопия и лазерная ультрамикроскопия (ЛУМ), основанная на детектировании сигналов светорассеяния от не разрешимых микроскопом включений в направлении 90° к падающему лазерному лучу [2-5]. В качестве источника излучения используют лазеры видимого диапазона; рассеянный свет регистрируется фотографическая [2, 3] либо фотоэлектрически [4, 5].

Стекла на основе сульфидов, селенидов и теллу-ридов мышьяка, сурьмы и германия являются перспективными материалами для волоконной и нелинейной оптики среднего ИК-диапазона. Как правило, коротковолновая граница пропускания (ко) этих материалов лежит в ближнем ИК-диапазоне. Возможности ИК-микроскопии для дисперсного анализа включений ограничены разрешающей способностью микроскопов, составляющей несколько микрон и выше. В связи с непрозрачностью этих стекол в видимом диапазоне невозможно прямое определение включений субмикронных размеров с помощью известных методик ЛУМ [2-5].

Для оценки концентрации и размеров примесных включений в непрозрачных образцах селена, мышьяка и стекла А828е3 в [6-8] предложено растворять твердые образцы в кислотах с последующим анализом раствора с помощью ЛУМ в видимом диапазоне. Необходимость контроля полноты растворения образца стекла и учета возможности частичного растворения включений существенно

усложняет методику. Кроме того, вне поля зрения анализа остаются такие рассеивающие центры, как кристаллиты и пузырьки.

Цель данной работы - создание аппаратуры и разработка неразрушающей методики ЛуМ для прямого определения концентрации и размеров гетерофазных включений непосредственно в объеме образцов стекол системы А8-8-8е (8е : 8 > 1), не прозрачных в видимом диапазоне.

Установка и процедура анализа. Для многих халькогенидных стекол коротковолновая граница пропускания к0 < 1 мкм, что позволяет при реализации метода ЛУМ использовать собирающую оптику обычного светового микроскопа, а детектирование рассеянного излучения проводить с помощью кремниевой ПЗС-матрицы цифровой фотокамеры, имеющей заметную чувствительность в ближнем ИК-диапазоне (вплоть до ~1 мкм).

Установка собрана на базе универсального оптического микроскопа Ахюр1ап 2 фирмы Карл Цейс с охлаждаемой цифровой фотокамерой высокого разрешения Ахюеаш ИИш, управляемой с помощью компьютера. Источником зондирующего излучения служил полупроводниковый лазерный диод (к = 0.98 мкм) с варьируемой мощностью излучения (100 мВт-4 Вт). Квантовая эффективность ПЗС-матрицы камеры на длине волны лазерного диода ~10%. Схема фокусировки луча позволяет создать прямоугольную освещенную область под объективами микроскопа толщиной

~ п х 10 мкм.

Процедура анализа состоит в микрофотографировании включений при освещении образца лазерным лучом. Для этого образец стекла в форме пря-

Рис. 1. Микрофотография включений в лазерном луче.

моугольного параллелепипеда с полированными гранями помещали на предметный столик микроскопа, лазерный луч направляли ортогонально одной из его граней и оптической оси микроскопа и фокусировали в объеме образца.

В зависимости от концентрации включений в исследуемом образце для ультрамикроскопической съемки использовали микрообъективы с различными числовыми апертурами и рабочими расстояниями (~1 см). Времена экспозиции составляли от 1 мс до 20 мин. Типичная микрофотография включений в лазерном луче показана на рис. 1.

Методика анализа. В основе методики лежит определение размеров включений по яркости полученных на матрице цифровых изображений при решении обратной задачи светорассеяния. В случае безаберрационного объектива изображения включений с размерами меньше его разрешающей способности представляют собой дифракционные пятна, распределение освещенности в которых в так называемой плоскости наилучшей установки описывается известной формулой Эйри [9, 10]:

E (W) = Em

2 J! (W ) W

(1)

где Етах - максимальная освещенность в центральном максимуме дифракционного пятна (пятно Эйри), J1(W) - функция Бесселя первого рода первого порядка; W = 2пАМт[к; А и М - числовая апертура и увеличение микрообъектива; т - расстояние от центра пятна Эйри.

Имея в виду достижение низкого предела обнаружения включений по размеру, в качестве фотометрического параметра методики принята максимальная освещенность в пятне Эйри, соответствующая пикселу максимальной яркости (5тах) на его цифровом изображении.

Толщина сфокусированного лазерного луча в нашем случае значительно превосходила глубину дифракционной резкости используемых микрообъективов, вследствие чего имела место заметная расфокусировка изображений дифракционных пятен от включений, находящихся в лазерном луче вдали от плоскости, сопряженной с плоскостью установки. Поэтому для корректного определения величины 5тах проводили съемку с варьируемым фокусом при перемещении образца (предметного столика) вдоль оптической оси микроскопа ^-сканирование).

На линейном участке динамического диапазона ПЗС-матрицы связь регистрируемого сигнала и размера включения (й) выражается как

Smax — d )т,

(2)

где X(d) = P(d)/I0 - сечение рассеяния; P(d) - полная мощность рассеянного включением излучения в апертуру микрообъектива, I0 - интенсивность падающего излучения, т - время экспозиции, C - градуи-ровочный коэффициент, зависящий от параметров установки и съемки.

В предположении изотропных включений сферической формы зависимость сечения рассеяния от диаметра включения d, показателей преломления включения и среды (np, nm), а также от параметров установки (к, A) численно рассчитывали по алгоритмам теории рассеяния Ми [11].

Анализ цифровых изображений проводили с помощью оригинальных программ, позволяющих находить дифракционные пятна на фотографии, подсчитывать их количество, определять число пикселов в центральном максимуме каждого пятна, координаты и сигнал пиксела максимальной яркости Smax на серии кадров Z- сканирования; строить гистограммы распределения пятен по этим характеристикам.

CL(d), мс 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7

0

5,

200

400

600

800

1000 d, нм

Рис. 2. Зависимости сечения рассеяния от размера частиц (включений) для системы латекс-вода (стандарт) (1), для стекла As4oS2oSe4o (пт = 2.49) с включениями в виде пузырьков (пр = 1) (2), диоксида кремния (Пр = 1.45) (3), углерода (пр = 2.5 + 0.9г) (4) и кристаллитов (п„ = пт + 0.1) (5); линии - расчет по теории Ми (А = 0.13), точки - результат градуировки.

max

300

250 200 150 100 50

2 / /

/

х-1

? Л

1 Л

' А А'

0

20 40 60 80 100

т, мс

Рис. 3. Зависимости максимальной яркости в пятне Эйри от времени экспозиции для стандартов 300 (1) и 600 нм (2) (А = 0.13; к = 0.98 мкм; цифровое усиление при съемке 4).

Распределение включений по размерам находили на основе гистограммы распределения дифракционных пятен по максимальной яркости при решении обратной задачи светорассеяния (2). Концентрацию включений определяли по формуле с = И/У, где N - число обнаруженных максимумов пятен, V = - 1) - величина просканированно-го объема образца, ^ - площадь изображения части лазерного луча, проецируемая на матрицу фотокамеры, ^ и № - шаг и число кадров при съемке в режиме 2-сканирования.

Тестирование методики. Для определения граду-ировочного коэффициента в (2) и тестирования методики использовали стандарты размеров для методов светорассеяния - набор монодисперсных систем частиц латекса различных размеров в воде.

Зависимость сечения рассеяния в апертуру одного из микрообъективов от размера частиц для стандартной системы показана на рис. 2. Для получения градуировочных точек проводили съемку каждой из монодисперсных систем при различных временах экспозиции. Из-за конвективной и диффузионной подвижности частиц латекса съемка жидкого стандарта в режиме 2-сканирования затруднена, поэтому частичный контроль за расфокусировкой дифракционных пятен в этом случае осуществляли с помощью программ обработки.

Типичные зависимости средней (по кадру) максимальной яркости пятен от времени экспози-

ции показаны на рис. 3, соответствующие градуиро-вочные точки (dSmax/dT) для каждой из монодисперсных систем отмечены на рис. 2. Видно, что, несмотря на сложный характер теоретической зависимости (резонансы Ми), экспериментальные точки удовлетворительно ложатся на расчетную кривую, что свидетельствует о работоспособности методики. Величина градуировочного коэффициента для собранной установки при разрешении изображений 8 bit по яркости составила ~5 х 1015 -5 х 1016 м-2 мс-1 в зависимости от падающей мощности лазерного диода.

При дисперсном анализе образцов с показателями преломления материала и включений, отличающихся от этих величин для стандартной системы, необходим пересчет "стандартной" градуировки (зависимости Ё = Е(^)).Примеры градуировочных зависимостей для одного из стекол системы As-SSe с включен

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»