Комплексные показатели преломления ванадия на длинах волн современных лазеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Комплексные показатели преломления ванадия на длинах волн современных лазеров

Радченко К.А.

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

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

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

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 «л» 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.

Аннотаця

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

Размещено на Allbest.ru