Разработка и исследование лазерной технологии вытяжки ближнепольных оптических зондов

• Автор: Калачев, Алексей Иванович
• Шифр специальности: 05.27.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 94 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Ближнепольный оптический зонд, его разновидности и методы изготовления

1.1. Основные принципы микроскопии ближнего ПОЛЯ.

1.2. Основные разновидности ближнепольных оптических зондов и

их характеристики.

1.3. Методы изготовления ближнепольных оптических зондов

на основе оптического волокна.

1.1.1. Метод химического травления.

1.1.2. Метод механической вытяжки ближнепольных оптических зондов из нагретого участка волокна
1.1.3. Метод механической вытяжки ближнепольных оптических зондов из нагретого участка волокна при лазерном нагреве
1.4.Выводы.
ГЛАВА 2. Разработка лазерной установки для формирования ближнепольных оптических зондов
2.1. Рассмотрение задачи деформации вязкого волокна под действием внешних сил.
2.2. Влияние условий вытяжки ближнепольных оптических зондов
на обрыв волокна
2.3. Создание макета лазерной установки для изготовления ближнепольных оптических зондов.
2.4. Определение свойств зоны нагрева формируемой с помощью оптической системы
2.5. Экспериментальное определение режимов вытяжки ближнепольных оптических зондов.
2.6. Выводы
ГЛАВА 3. Измерение температуры кварцевого волокна в зоне нагрева
3.1. Общая постановка задачи для измерения температуры
волокна в процессе вытяжки
3.2. Определение температурного ноля в зоне нагрева
3.3. Теория пирометрии спектрального отношения.
3.4. Излучатсльные свойства кварцевого стекла
3.5. Калибровка пирометра спектрального отношения
3.6. Измерение температуры кварцевого волокна нагреваемого излучением СО лазера
3.7. Выводы
ГЛАВА 4. Исследование кинетики процесса вытяжки
ближнепольных оптических зондов
4.1. Постановка задачи изучения кинетики вытяжки
с помощью скоростной киносъемки.
4.2. Изучение формообразования зонда в процессе вытяжки
4.3. Исследование временных параметров вытяжки ближнепольных оптических зондов.
4.4. Выводы
ГЛАВА 5. Создание ближнепольных оптических зондов с минимальным диаметром апертуры.
5.1. Основные трудности при получении ближнепольных
оптических зондов с диаметром апертуры меньше ЮОнм
5.2. Оптимизация установки для вытяжки ближнепольных
оптических зондов с помощью системы обратной связи
5.3. Оценка качества полученных ближнепольных оптических зондов
с помощью ближнепольного сканирующего микроскопа
5.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ПРИЛОЖЕНИЕ.
ЛИТЕРАТУРА


Впервые изучена кинетика лазерной вытяжки БОЗ методом скоростной киносъемки, выделены характерные стадии процесса, измерены временные параметры процесса вытяжки и выявлены основные закономерности формирования геометрии БОЗ. Экспериментально изучены закономерности нагрева оптического волокна при вытяжке БОЗ методом пирометрии спектрального отношения, измерена температура волокна в момент обрыва и даны рекомендации по оптимизации процесса вытяжки. Проведен анализ современного состояния технологии изготовления БОЗ из оптического волокна. Создана экспериментальная установка для вытяжки БОЗ с использованием лазерного нагрева волокна, которая может стать прототипом при создании промышленного образца установки. Проведенные исследования лазерной технологии вытяжки БОЗ позволили наиболее полно изучить процесс вытяжки, и выработать практические рекомендации по оптимизации лазерной технологической установки, с целью улучшения характеристик получаемых зондов. Экспериментально определены рабочие режимы лазерного воздействия на волокно, при которых получаются БОЗ с заданными геометрическими характеристиками. Основной трудностью, с которой столкнулся автор этой работы, является отсутствие оптимачьного метода контроля характеристик получаемых БОЗ. Поэтому при поиске оптимальных технологических параметров приходилось в основном опираться на геометрические макропараметры зондов, сравнивая их с геометрическими макропараметрами зондов, полученными другими авторами и обладающими, по их мнению, наилучшими характеристиками. Диссертация состоит из пяти глав. В первой главе представлен подробный обзор современного состояния ближнепольной оптики, в котором приведены основные разновидности БСМ и описаны режимы их работы, а также приведена принципиальная схема БСМ. Па основе анализа литературных источников было показано, что наибольшее применение получил БОЗ изготовленный из оптического волокна и приведены основные характеристики, которым должен удовлетворять получаемый зонд для успешной работы в составе БСМ. Далее рассмотрены основные методы получения БОЗ из кварцевого волокна, такие как: химическое травление, механическая вытяжка с тепловым на1ревом волокна и механическая вытяжка с тепловым нагревом волокна излучением СОглазсра. БОЗ и приведены наиболее часто используемые в технологических установках оптические схемы фокусировки на волокно излучения СОглазера, а также показаны недостатки данных схем. Вторая глава посвящена разработке экспериментальной установки для вытяжки БОЗ из волокна и описанию принципа ее работы. В начале главы представлена математическая модель формирования БОЗ из оптического волокна в процессе «лазерной» вытяжки. Эта модель была построена на основе уравнения Ньютона для вязкого течения несжимаемой жидкости, свойства которой приобретает расплавленное кварцевое волокно. В результате было получено уравнение, описывающее изменение радиуса г поперечного сечения в процессе вытяжки. Показаны и объяснены причины обрыва волокна в тонкой части; приведены условия получения минимального диаметра острия с учетом критического (разрывного) напряжения характерного для кварцевого волокна диаметром <0 мкм. Далее приведена схема экспериментальной лазерной установки разработанной на нашей кафедре и описан принцип действия. Произведен расчет оптической схемы и проведена оценка размера зоны нагрева создаваемой на волокне и оказывающей серьезный влияние на геометрию получаемых зондов. Следующим параграфом представлены фотоснимки зондов полученных на нашей установке, выполненные с помощью оптического и электронного микроскопа и объяснены особенности их формы. Б результате серии экспериментов по вытяжке были получены зависимости длины получаемых зондов от мощности излучения СО>-лазера и растягивающей силы. Третья глава посвящена исследованию изменения температуры волокна в процессе вытяжки. В начале главы был проведен расчет температурного поля волокна в зоне нагрева, которое получается при нагреве волокна непрерывным излучением СОг-лазера. Показано, что в начале вытяжки нагрев кварцевого волокна в математическом отношении можно свести к решению задачи о нагреве бесконечного кругового цилиндра.