Химия - Пористое стекло - Технология спекания пористого стекла

Схематическое изображение спеченной области пористого стекла. R₁ — радиус кривизны спеченной области, R₂- радиус кривизны границы спеченного и неспеченного стекла, h₁ — толщина спеченной области, h₀ — глубина усадки, h — толщина всего образца, d — диаметр спеченной области

Технология спекания пористого стекла была разработана в ИТМО на кафедре ЛТиЭП в 80-х годах. Было показано, что спекание пористых стекол качественно можно представить следующим образом. Нагревание стекла вызывает размягчение его каркаса, то есть резкое снижение вязкости силикатной матрицы. Начинается вязкое течение размягченного стекла, за счет которого уменьшается площадь поверхности пор и, следовательно, поверхностная энергия стекла. В зоне воздействия процесс продолжается до тех пор, пока пористое стекло не придет к термодинамически равновесному состоянию с минимальной поверхностной энергией. Такое состояние достигается при минимальной пористости и минимальной площади поверхности, в обычном случае сферической.

При оценке режимов спекания считается, что поры в спекаемой области вплоть до полного спекания, остаются незамкнутыми в силу влияния процессов растворения газа, находящегося в порах, которые настолько незначительны, что их можно не учитывать. Спекание начинается, когда вязкость каркаса пористого стекла на его поверхности уменьшается в процессе нагревания настолько, что давление поверхностного натяжения в поре будет ее захлопывать. При повышении температуры в глубине стекла фронт спекания продвигается вглубь. Изменение формы поверхности в процессе спекания сопровождается изменением плотности материала и показателя преломления. В результате воздействия на поверхность пористого стекла пучком лазерного излучения с распределением мощности по сечению близкому к гауссову получается спеченная область, профиль которой близок к сферическому. Оптические свойства спеченной области определяются в основном разностью показателей преломления спеченного и неспеченного пористого стекла и геометрическими характеристиками области. Наибольший градиент пористости и, следовательно, показателя преломления наблюдаются в непосредственной близости от границы спеченной и неспеченной областей.

На основе этого явления возможно изготовление планарных оптических волноводов и оптических интегральных схем.