Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
16.10.2015

Комплексные показатели преломления ванадия на длинах волн современных лазеров

Радченко Кристина Анатольевна
магистрант 2 курса кафедра химии твердого тела и химического материаловедения, химический факультет, Кемеровский государственный университет Кемерово, Россия
Аннотация: В работе оценены комплексные показатели преломления ванадия на длинах волн современных лазеров, попадающих в диапазон от 300 нм до 700 нм. В математическом пакете MatLab создана программа для решения данной задачи. Показано, что зависимость показателя преломления металлического ванадия от длины волны проходит через глобальный максимум.
Ключевые слова: комплексный показатель преломления, ванадий, фотокатализ, математическое моделирование
Электронная версия
Скачать (704.1 Kb)

Введение

Для развития науки и техники требуются все новые функциональные материалы. Одно из основных направлений химического материаловедения – поиск новых областей применения существующих материалов . Неожиданно мало, на сегодняшний день, используется давно открытий металл ванадий. Его область применения ограничена металлургией (легирование стали), атомной энергетикой, микроэлектроникой. Новыми направлениями использования ванадия и его соединений являются катализ, в первую очередь – фотокатализ, создание принципиально новых систем записи и хранения информации, оптических детонаторов [1, c. 471, 4, c. 604, 6, c. 63]. В ванадии сочетаются достаточно редкие физико-химические свойства: аномально высокая (2193 К) температура плавления металла, каталитическая активность, низкотемпературный фазовый переход оксида ванадия, приводящий к проявлению металлических свойств, в частности – большой проводимости, рассеянию и поглощению [10, c. 127, 14, c. 112, 17, c. 750]. В качестве добавки к бризантному взрывчатому веществу в капсюлях оптических детонаторов [2, c. 14, 12, c. 6] ванадий можно применять из-за сочетания большого коэффициента эффективности поглощения на первой гармонике и относительно низкого значения объемной теплоемкости. Это сопровождается значительным нагревом наночастицы в поле относительно малых плотностей энергии импульсных лазеров [27, c. 55, 29, c. 376]. Кроме поглощающих свойств наночастицы позитивное значение могут иметь каталитические свойства металла, которые могут проявляться в снижении температуры вспышки за счет химической реакции на границе металл – энергетический материал [5, c. 012037, 22, c. 212]. Распространение ванадия на нашей планете также способствует расширению сфер и интенсивности его использования. Нелишне напомнить достаточно известные факты, что ванадия на Земле больше, чем кобальта, свинца, цинка, никеля, меди и благородных металлов. Широкое использование излучения лазеров не только в промышленности, но и бытовых приборах является приметой нашего времени. Для использования ванадия в современных оптических системах с лазерным источником монохроматического излучения необходимо начать исследование оптических свойств металла на необходимых длинах волнах. Целью работы являетсяоценка комплексных показателей преломления (mi) ванадия на длинах волн существующих лазеров в диапазоне 300 нм – 700 нм.

Методика расчета

Экспериментальное решение поставленной задачи является очень трудоемким [27, c. 55, 29, c. 376]. Значительно проще использовать следующую методику: интерполяция mi на необходимые длины волн, используя известные литературные данные [7, c. 362, 8, c. 687, 19, c. 64, 20, c. 6, 30, c. 30, 31, c. 69, 32, c. 42], моделирование актуальных физико-химических процессов с оптимизацией экономически важных параметров системы [1-3, 9, c. 93, 13-17, 22-33], определение перспективности и только потом (в случае положительных результатов) – проведение комплекса экспериментальных исследований [11, c. 40, 21, c. 99]. Такая методика сформулирована в работах [1-17,19-32] для оптимизации оптических детонаторов на основе инициирующих взрывчатых веществ (ВВ), и использована для создания оптического детонатора на основе бризантных ВВ с добавками наночастиц алюминия, кобальта, никеля, хрома, меди, серебра, золота.

В актуальном диапазоне от 300 нм до 700 нм (видимая часть спектра с ближним ультрафиолетом) находятся 20 длин волн различных лазеров. В таблице 1 они расположены в порядке увеличения длины волны. Неодимовый лазер на второй гармонике с длиной волны 532 нм, попадая в данный диапазон, выведен за границу настоящей работы и составит предмет отдельного более тщательного исследования. В результате остается 19 длин волн. В пакете MatLab (лицензия № 824977) создана программа для оценки действительной (Re(mi)) и мнимой (Im(mi)) частей комплексного показателя преломления необходимых длин волн. Основная часть программы с необходимыми комментариями представлена ниже.

L=[296 302 312 365 380 390 400 410 425 450 475 500 525 550 575 590 600 625 675 700]; % массив с длинами волн (в нм), для которых существуют по данным работы [18] mi («%» означает комментарии к программе, отображается зеленым цветом и не исполняется).

Таблица. Рассчитанные для длин волн лазеров значения действительной и модуля мнимой частей комплексного показателя преломления и показателя поглощения ванадия 

λ, нм

Лазер

Re(mi) по данным [18]

Im(mi) по данным [18]

a, мкм -1

308

Эксимерный лазер (XeCl)

1.1400

2.9538

120.5142

325

-кадмиевый лазер на парах металлов

1.2834

3.2132

124.2425

337.1

Азотный лазер

1.3591

3.3610

125.2917

353

Эксимерный лазер XeF

1.4785

3.5132

125.0639

416

Криптоновый лазер

2.2915

3.8971

117.7217

440

Гелий-кадмиевый лазер на парах металлов

2.5603

3.9136

111.7733

488.0

Аргоновый лазер

2.9855

3.7871

97.5210

510.6

Лазер на парах меди

3.0779

3.6992

91.0418

514.5

Аргоновый лазер

3.0976

3.6788

89.8527

530.9

Криптоновый лазер

3.1757

3.6111

85.4755

567

Гелий-ртутный лазер на парах металлов

3.1570

3.5075

77.7354

568.2

Криптоновый лазер

3.1589

3.5012

77.4324

578.2

Лазер на парах меди

3.2399

3.4376

74.7123

615

Гелий-ртутный лазер на парах металлов

3.2605

3.4912

71.3354

627

Лазер на парах золота

3.2725

3.5009

70.1656

632.8

Гелий-неоновый лазер

3.2791

3.5030

69.5636

647.1

Криптоновый лазер

3.2938

3.5055

68.0746

676.4

Криптоновый лазер

3.3437

3.5105

65.2200

694.3

Рубиновый лазер

3.4101

3.5232

63.7669


LL=L(1):0.1:L(length(L)); % массив с длинами волн от 296 нм (первой в массиве L) до 700 нм (последней) через 0.1 нм. Такая точность необходима, т.к многие длины волн существующих лазеров определены с данной точностью (таб. 1).

nk=length(LL); % определяет длину массива LL. Эта процедура эквивалентна следующей: (L(length(L))-L(1))/0.1+1, однако имеет очевидный недостаток (необходимость исправлять шаг по длине волны в случае его изменения при решении другой задачи).

nL=[308 325 337.1 353 416 440 488.0 510.6 514.5 530.9 567 568.2 578.2 615 627 632.8 647.1 676.4 694.3]; % массив с длинами волн исследуемых лазеров (в нм).

Remi=[1.08 1.09 1.18 1.62 1.86 1.99 2.09 2.19 2.45 2.61 2.90 3.03 3.15 3.20 3.20 3.37 3.31 3.27 3.34 3.44]; % массив с действительными частями комплексного показателя преломления Re(mi) для длин волн из массива L по данным работы [18].

Immi=[2.79 2.86 3.02 3.6 3.69 3.76 3.83 3.88 3.91 3.90 3.82 3.75 3.63 3.57 3.46 3.39 3.44 3.50 3.51 3.53]; % массив с мнимыми частями комплексного показателя преломления Im(mi) для длин волн из массива L [18].

H1= Remi; % далее используется элемент программы, написанной научным руководителем профессором Каленским А.В., и используется переход на принятые в работах [1-17,19-32] обозначения. В данной строчке программы – координата Y (плотность энергии).

rr=L; % координата X (радиусы наночастиц из работ [18]).

xx1=rr(1):0.1:rr(length(rr)); % массив длин волн через 0.1 нм.

yy1=spline(rr(1:length(rr)),Remi(1:length(rr)),xx1); % определяет массив yy1, размером nk, в котором находятся интерполированные с шагом 0.1 нм значения действительных частей комплексного показателя преломления ванадия методом spline (кривая, проходящая через экспериментальные точки Remi с одновременным минимумом длины и суммы изменений производной), встроенным в систему MatLab.

yy2=spline(rr(1:length(rr)),Immi(1:length(rr)),xx1); % определяет массив yy2, также размером nk, в котором находятся интерполированные с шагом 0.1 нм значения модулей мнимых частей комплексного показателя преломления ванадия.

for i=1:length(nL) % этот блок определяет номер необходимой длины волны в массиве LL (для первой длины волны 308 нм k(1) = 121

n=nL(i); % выбираем необходимую длину волны (при i=1, n = 308 нм)

for ii=1:nk

ty(ii)=(LL(ii)-n)^2; % определяем массив ty, который имеет длину nk (от 296 нм до 700 нм через 0.1 нм), каждый элемент получается вычитанием из текущей длины волны необходимой длины волны лазера и возведением в квадрат. Только элемент с номером искомой длины волны будет равен 0, остальные – больше нуля.

end [Q,k(i)]=min(ty); % Определяем номер (k(i)) искомой длины волны, в которой массив будет иметь минимальное значение (нулевое, другие элементы массива ty больше нуля).

nLL(i)=LL(k(i))/1000; % пересчет длин волн в мкм для расчета показателя поглощения (a) ванадия

Rmi(i)=yy1(k(i)); % определяем действительную часть комплексного показателя преломления i-го номера длины волны массива nL

Imi(i)=yy2(k(i)); % определяем модуль мнимой части комплексного показателя преломления длин волн массива nL

am(i)=4*pi*Imi(i)/nLL(i); % расчет показателя поглощения (a) ванадия

end

Rmi % вывод на экран действительной части комплексного показателя преломления (помещенного в столбец 3 таб. 1).

Imi % вывод на экран модуль мнимой части комплексного показателя преломления (помещенного в столбец 4 таб. 1).

am % вывод на экран показателя поглощения ванадия (помещенного в столбец 4 таб. 1) . 

Рис. 1. Рассчитанные зависимости действительной (сплошная линия) и модуля мнимой (пунктир) частей комплексного показателя преломления ванадия от длины волны. Точками отображены значения mi для лазеров

Рис. 1. Рассчитанные зависимости действительной (сплошная линия) и
модуля мнимой (пунктир) частей комплексного показателя преломления ванадия от длины волны.
Точками отображены значения mi для лазеров

Далее строим график для отображения рассчитанных значений действительной и модуля мнимой частей комплексного показателя преломления ванадия.

figure('color',[1,1,1]); % задаем белый (1,1,1) цвет фона графика, по умолчанию – серый (0.8, 0.8, 0.8).

plot( L,Remi,'*K',L,Immi,'+K', xx1,yy1,'K',xx1,yy2,'K','linewidth',2); % строим график (рис.1)

xlabel('\lambda, нм','rotation',0,'fontsize', 14,'fontname','Times New Roman','units','normal','position',[0.85, -0.08]) % определяет текст, стиль и положение подписи под осью Х. Греческую букву «λ» можно отобразить \lambda.

ylabel('mi','rotation',0,'fontsize', 14,'fontname','Times New Roman','units','normal','position',[-0.08, 0.9]) % определяет текст, стиль и положение подписи под осью Y.

На рис. 1 построенные по представленной выше методики зависимости действительной и модуля мнимой частей комплексного показателя преломления от длины волны в диапазоне от 296 нм до 700 нм. Точками указаны значения параметров для существующих на сегодняшний день лазеров (таб. 1 столбец 1 и 2). Полученные значения mi позволяют рассчитать оптические характеристики наночастиц необходимых размеров в прозрачной матрице, что будет сделано в дальнейшем. Значения мнимой части комплексного показателя преломления позволили рассчитать показатель поглощения пленок ванадия. Результаты представлены в таб. 1 столбец 5. Зависимость имеет максимум для азотного лазера для длины волны 337.1 нм 125.2917 мкм-1. Автор выражает благодарность научному руководителю профессору А. В. Каленскому.

Список литературы:

1. Ananyeva M. V., Kalenskii A. V. The size effects and before-threshold mode of solid-state chain reaction // ЖСФУ. Серия: Химия. – 2014. – Т. 7. – № 4. – С. 470-479.

2. Ananyeva M. V., Kriger V. G. et al Comparative analysis of energetic materials explosion chain and thermal mechanisms // Известия ВУЗов. Физика. – 2012. – Т.55. – №11-3. – С. 13-17.

3. Borovikova A. P., Kriger V. G. et al Time-space parameters of the explosive decomposition of energetic materials moving reaction wave // Известия ВУЗов. Физика. – 2012. – Т. 55. – № 11-3. – С. 25-29.

4. Kalenskii A. V., Ananyeva M. V. Spectral regularities of the critical energy density of the pentaerythriol tetranitrate - aluminium nanosystems initiated by the laser pulse // Наносистемы: физика, химия, математика. – 2014. – Т. 5. – № 6. – С. 803-810.

5. Kalenskii A. V., Kriger V. G. et al Modern microcenter heat explosion model // Journal of Physics: Conference Series. – 2014. – Т. 552. – № 1. – С. 012037.

6. Kalenskii A. V., Kriger V. G. et al The microcenter heat explosion model modernization // Известия ВУЗов. Физика. – 2012. – Т. 55. – № 11-3. – С. 62-65.

7. Pugachev V. M., Datiy K. A. et al Synthesis of copper nanoparticles for use in an optical initiation system // Наносистемы: физика, химия, математика. – 2015. – Т. 6. – № 3. – С. 361-365.

8. Zvekov A. A., Ananyeva M. V., Kalenskii A. V. et al Regularities of light diffusion in the compo site material pentaery thriol tetranitrate – nickel // Наносистемы: физика, химия, математика. – 2014. – Т. 5. – № 5. – С. 685-691.

9. Адуев Б. П., Ананьева М. В., Звеков А. А. и др. Микроочаговая модель лазерного инициирования взрывного разложения энергетических материалов с учетом плавления. // ФГВ. – 2014. – Т. 50. – № 6. – С. 92-99.

10. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р., Белокуров Г. М. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите с использованием фотометрического шара // ЖТФ. – 2014. – Т. 84. – №9. – С. 126-131.

11. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р., Фурега Р. И. и др. Взрывчатое разложение ТЭНа с нанодобавками алюминия при воздействии импульсного лазерного излучения различной длины волны // ХФ. – 2013. – Т. 32. – № 8. – С. 39-42.

12. Ананьева М. В., Звеков А. А., Зыков И. Ю. и др Перспективные составы для капсюля оптического детонатора // Перспективные материалы. – 2014. – №7. – С. 5-12.

13. Ананьева М. В., Каленский А. В. Инициирование взрывного разложения микрокристаллов азида серебра // Молодой ученый. – 2014. – №19. – С. 52-55.

14. Ананьева М. В., Каленский А. В., Никитин А. П. и др. Моделирование взрывного разложения тэна в рамках модернизированной модели горячей точки // Известия ВУЗов. Физика. – 2013. – Т. 56. – № 9-3. – С. 111-113.

15. Боровикова А. П., Каленский А. В., Зыков И. Ю.Пространственно - временные характеристики волны горения в азиде серебра // Аспирант. – 2014. – №3. – С. 37-42.

16. Боровикова А. П., Кригер В. Г., Каленский А. В. и др. Закономерности распространения реакции взрывного разложения кристаллов азидов серебра и свинца // Ползуновский вестник. – 2008. – № 3. – С. 66-70.

17. Звеков А. А., Каленский А. В., Никитин А. П. и др. Моделирование распределения интенсивности в прозрачной среде с Френелевскими границами, содержащей наночастицы алюминия // Компьютерная оптика. – 2014. – Т. 38. – № 4. – С. 749-756.

18. Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. Л.: Химия. – 1984. – 216 с.

19. Зыков И. Ю. Расчет коэффициентов эффективности поглощения цилиндрическими наночастицами // Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2013. – № 4 (11). – С. 63-68.

20. Каленский А. В., Ананьева М. В., Никитин А. П. Оптические характеристики наночастиц никеля в прозрачных матрицах // Современные научные исследования и инновации. – 2014. – № 11-1 (43). – С. 5-13.

21. Каленский А. В., Звеков А. А., Ананьева М. В. и др. Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность энергии инициирования энергетических материалов. // ФГВ. – 2014. – Т. 50. – № 3. – С. 98-104.

22. Каленский А. В., Звеков А. А., Ананьева М. В. и др Взрывная чувствительность композитов тэн-алюминий к действию импульсного лазерного излучения // Вестник КемГУ. – 2014. – № 3-3 (59). – С. 211-217.

23. Каленский А. В., Звеков А. А., Зыков И. Ю. и др. Чувствительность композитов гексоген-алюминий // Известия ВУЗов. Физика. – 2014. – Т. 57. – № 12-3. – С. 142-146.

24. Каленский А. В., Зыков И. Ю., Боровикова А. П. и др. Критическая плотность энергии инициирования композитов тэн - никель и гексоген – никель // Известия ВУЗов. Физика.– 2014. – Т. 57. – № 12-3. – С. 147-151.

25. Кригер В. Г., Каленский А. В., Ананьева М. В. и др. Зависимость критической плотности энергии инициирования взрывного разложения азида серебра от размеров монокристаллов // ФГВ. – 2008. – Т. 44. – № 2. – С. 76-78.

26. Кригер В. Г., Каленский А. В., Боровикова А. П. и др. Сравнительный анализ закономерностей взрывного разложения азидов тяжелых металлов при импульсном инициировании // Известия ВУЗов. Физика. – 2009. – Т. 52. – № 8-2. – С. 296-299.

27. Кригер В. Г., Каленский А. В., Звеков А. А. и др. Влияние эффективности поглощения лазерного излучения на температуру разогрева включения в прозрачных средах // ФГВ. – 2012. – Т.48. – № 6. – С. 54-58.

28. Кригер В. Г., Каленский А. В., Звеков А. А. и др.Определение ширины фронта волны реакции взрывного разложения азида серебра // ФГВ. – 2012. – Т. 48. – № 4. – С. 129-136.

29. Кригер В. Г., Каленский А. В., Звеков А. А. и др. Процессы теплопереноса при лазерном разогреве включений // Теплофизика и аэромеханика. – 2013. – Т. 20. – № 3. – С. 375-382.

30. Никитин А. П. Расчет параметров инициирования взрывного разложения тэна с наночастицами хрома // Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2013. – № 2 (9). – С. 29-34.

31. Никитин А. П. Расчет критических параметров инициирования теплового взрыва тэна с наночастицами меди на разных длинах волн // Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2013. – №4(11). – С. 68-75.

32. Одинцова О. В. Расчет коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра в пентаэритритатетранитрате // Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2014. – №3(14). – С. 40-44.

33. Шайтован Н. Ж. Новые информационные технологии // NovaInfo.Ru. – 2013. – № 13. – С. 32-34.