Диссертация (1137137), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Показано, чтоналичие неоднородностей показателя преломления Δn=3×10-3 с диаметромболее 10 мкм не снижает добротность ОДМР более, на 20%.3.Разработана методика изготовления растянутогооптическоговолокна, имеющего специальную форму перетяжки, для связи с ОДМР, чтопозволяет измерять добротность до 109.4.Экспериментально показана возможность детектирования малыхконцентраций наночастиц аэрозоля TiO2, вплоть до (1,55±0,12)×105 ед./см3 ввоздухе при помощи ОДМР. Показано, что в результате активациивысокотемпературным нагревом силоксановых связей в поликристаллическомкварце возникает адгезия наночастиц диоксида титана к поверхности ОДМР ввоздушной среде, что дает возможность детектирования единичных наночастицдиоксида титана.5.Разработана методика предварительной активации силоксановыхсвязей за счет взаимодействия поверхности резонатора с гидроксильнымиионами, что обеспечивает адсорбцию наночастиц серебра в жидкой среде.Методы исследованияВ теоретических исследованиях применялись методы разработки средствизмерений,эмпирическиеметрологическихихарактеристик.статистическиеОбработкаметодыисследованияизмерительныхпроизводилась в пакетах программ MATLAB, WinPython, Origin.сигналов9Припроведенииэкспериментовприменялисьметодырастровойэлектронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии, методдифференциальнойэлектрическойподвижности,методдинамическогорассеивания света, оптической микроскопии, конфокальной микроскопии,интерференционной микроскопии.
Все методы имели метрологическуюпрослеживаемость к государственным первичным эталонам.Практическая значимость1.Впервые в мире разработана, исследована и внедрена установка дляизготовления оптических диэлектрических микрорезонаторов, позволяющаяобеспечить отклонение диаметра не хуже 10% в диапазоне от 160 мкм до 1800мкм, отклонение плоскости касательной экватора от осевой линии ножки неболее 2% и добротность не хуже 1×109±20%.2.Впервые в России разработан, исследован и внедрен надежныйспособ изготовления растянутого оптического волокна с параболическойперетяжкой.
Разброс диаметра перетяжки от образца к образцу растянутогооптоволокна составляет ±0,1 мкм. Представленная методика позволяетизготавливать растянутые оптические волокна с рабочей длиной перетяжки вдиапазоне от 3 до 15 мм, обеспечивает плавный переход между диаметрамиперетяжки и коэффициент пропускания порядка 98%.3.Впервыевмиреразработанаустановка,позволяющаядетектировать малые концентрации наночастиц диоксида титана в воздушнойсреде вплоть до (1,55±0,12)×105 ед./см3.4.Выявлено,чтоадсорбциянаночастицсеребравжидкостипроисходит при комнатной температуре примерно в течение 60 минут, чтопозволяет измерять их концентрацию без применения нагрева и агрессивныхсред.10Апробация работы и публикацииОсновные результаты работы докладывались на ежегодной межвузовскойнаучно-техническойспециалистовимениконференцииЕ.В.студентов,Арменскогоаспирантов(Москва,и2016,молодых2017),XIIМеждународной конференции «Прикладная оптика 2016» (Санкт–Петербург,2016), форуме «Открытые инновации» (Москва, 2016), VI Международнойконференции «Фотоника и информационная оптика» (Москва, 2017), VIМеждународном конкурсе «Лучший молодой метролог» (Астана, Казахстан,2017), X Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов (смеждународным участием) «Будущее машиностроения России» (Москва, 2017),X Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика2017» (Санкт – Петербург, 2017), XVI Всероссийской школе-семинаре«Волновые явления в неоднородных средах» имени А.П.
Сухорукова (Москва,2018).По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 5 статей вжурналах, которые входят в перечень ВАК и Scopus, 2 индексируются в Web ofScience, в том числе 1 статья, где соискатель является главным соавтором, 1патент на изобретение, 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ и11 публикаций в сборниках трудов и тезисов конференций.Личный вклад автораВсе результаты и положения, составляющие основное содержаниедиссертации,разработаныиполученыличноавторомилиприегонепосредственном участии.
Работа выполнена при финансовой поддержкеМинистерства образования и науки Российской Федерации в рамкахвыполнения соглашения №14.625.21.0041 от 26.09.2017 г. (уникальныйидентификатор прикладных научных исследований RFMEFI62517X0041).11Структура и объем диссертацииПолный объём диссертации составляет 120 страниц, в том числе 33рисунка, 13 таблиц, 4 приложения. Список литературы содержит 99источников.Работавключаетвведение,5глав,заключение,списокиспользуемой литературы.Результаты исследований, проведенных в ходе решения поставленныхвыше задач, позволили сформулировать научные положения, выносимые назащиту.Положения, выносимые на защиту:1.Формирование однородного теплового поля при помощи кольцевогонагрева при наличии в окружающей среде частиц с размером 0,5 мкм и 1 мкм иконцентрацией не более 4×105шт./см3 и 8×104 шт. /см3, соответственно,обеспечивает изготовление ОДМР с отклонением диаметра не хуже 10% вдиапазоне от 160 мкм до 1800 мкм, отклонением плоскости касательнойэкватора от осевой линии ножки не более 2% и добротностью 1×109±20%.2.Наличие внутренних неоднородностей показателя преломления вОДМР Δn = 3×10-3 и диаметром не более 10 мкм не влияет на его добротность.3.Использование волокна с длинной параболической перетяжкойобеспечивает максимальную чувствительность детектора наночастиц придобротности ОДМР 1×109±20%.4.Детектор на основе ОДМР позволяет детектировать частицы TiO2 синтегральной счетной концентрацией не менее (1,55±0,12)×105 ед./см3.5.вДля использования ОДМР в качестве детектора наночастиц серебражидкойсреденеобходимогидроксилированиерезонатороввдистиллированной воде в течение не менее 60 минут при нормальных условиях.12ГЛАВА 1 ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ СФЕРЫИССЛЕДОВАНИЯ1.1 Общая постановка задачи исследования параметров наночастиц припомощи оптических диэлектрических микрорезонаторовВажнойчастьюоптическихизмерительныхприборовявляютсяустройства, обладающие высокой добротностью.
Высокодобротные системынаходят широкое применение в различных областях науки и техники: оптике,СВЧ-электронике,электроннойтехникеифотонике[1].Широкоеиспользование высокодобротных систем связано в первую очередь с высокойчувствительностью параметров резонанса, таких как частота, амплитуда,добротность, к различным воздействиям.ОДМР обладают уникальными свойствами: высокой добротностью (принормальных условиях), высокой локализацией поля мод в малом объеме,работой в широком диапазоне длин волн источника возбуждения мод, малымигеометрическими размерами (при отлаженной технологии производства).Добротность оптических диэлектрических микрорезонаторов можетпревышать 109 при нормальных условиях [2].
Для сравнения: добротностьэлектромагнитной катушки равна 103 [3], добротность СВЧ резонатора сбольшим объемом серебряного покрытия равна 10 5 [4], у лейкосапфировыхСВЧ резонаторов добротность порядка 109 при температуре жидкого гелия [5],добротность сверхпроводящих СВЧ резонаторов 1010 при температуре жидкогогелия [6].Высокая добротность в ОДМР обеспечивается за счет радикальногоуменьшения потерь за счет полного внутреннего отражения от его границ,которое достигается при помощи перехода падения лучей от нормального кскользящему [6].
Использование данного метода становится возможным за счетобразования внутри резонатора бегущих мод, называемых модами «шепчущейгалереи».Благодаряэтимсвойствамоптическиедиэлектрические13микрорезонаторы с модами типа «шепчущей галереи» получили широкоераспространение.При использовании резонаторов такого типа был установлен рекорддобротности среди микрорезонаторов - 1011, которой получилось достичь врезультате многократного отжига ОДМР из CaF2 при температуре 650 oC (ввоздушной среде) и последующей многократной переполировке резонатора [8].В настоящее время ОДМР находят широкое применение в науке итехнике [9 - 24].Одной из важнейших задач современных нанотехнологий являетсяконтроль параметров наночастиц. Задача заметно осложняется отсутствиемкомпактных, относительно дешевых средств измерений, способных работать ввоздушной и водной среде.
ОДМР, вследствие высокой зависимостидобротности от свойств поверхности, могут решить эту задачу. В этом случаероль загрязнений играют осажденные на поверхности резонатора наночастицы.ОДМР является перспективным средством измерения для детектированиябиологических объектов [25, 26, 27] и частиц в воздушной и водной среде.Наночастицыразличныхматериаловширокоприменяютсявпроизводстве, науке, а также медицинских исследованиях.
Среди них наиболеераспространены наночастицы Аl2О3, ТiО2, SiO2 и ZnO. Частицы диоксидатитана, например, нашли широкое применение в различных отраслях науки итехники, в медицине [28], лакокрасочной промышленности [29], в качествекатализатора для окисления органических загрязнении [30], в косметическойиндустрии [31, 32, 33].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
