Коэффициенты эффективности поглощения наночастиц вольфрама на длинах волн лазеров

№37-1,

химические науки

В работе рассчитаны комплексные показатели преломления, а также оптические характеристики наночастиц и пленок вольфрама на длинах волн лазеров, попадающих в диапазон от 400 нм до 650 нм. Показано, что значение максимального значения коэффициента эффективности поглощения наночастиц практически не зависит от длины волны видимой части спектра, что открывает широкие возможности использования наночастиц вольфрама в оптических системах различного назначения.

Похожие материалы

Введение

Поступательное развитие науки и техники сопровождается широким использованием новых функциональных материалов. Однако, наряду с разработкой и синтезом принципиально новых материалов, важное значение имеет поиск новых (иногда совершенно других) областей применения существующих материалов [1-3]. Преимущества этого подхода достаточно очевидны: уже существующая инфраструктура добычи, переработки и использования сырья, что позволяет существенно уменьшить сроки внедрения. Например, годовая потребность мировой промышленности вольфрама 30 тысяч тонн. Элемент открыт еще в конце 18 века, но в настоящее время используются только его уникальные механические (твердость) и термодинамические (высокая температура плавления) свойства. Основные сферы применения – металлургическая отрасль (контейнеры для хранения ядерных отходов, легирующие добавки в сталь и др.), химическая промышленность (краски, пропитки водонепроницаемых и огнеупорных тканей для костюмов водолазов и пожарных) [1-6].

Новым направлением использования наночастиц и пленок вольфрама могут являться современные оптические системы записи и хранения информации, активные покрытия, оптические детонаторы [7-9]. Перспективность применения наночастиц вольфрама в качестве добавок к бризантному взрывчатому веществу в капсюлях оптических детонаторов [1, 7-11] определяется в первую очередь большим коэффициентом эффективности поглощения. Это приводит к интенсивному нагреву наночастицы при облучении импульсом лазера с относительно малой плотностью энергии [7-12]. Для оценки возможности использования вольфрама в оптических системах с лазерным источником монохроматического излучения на актуальных длинах волнах необходимы предварительные теоретические расчеты. Цель работы: оценка комплексных показателей преломления (mi) вольфрама на длинах волн лазеров в диапазоне от 400 нм до 650 нм, а также максимальных значений коэффициента эффективности поглощения и радиусов им соответствующих.

Методика расчета

Использование методов математического моделирования сложных физических процессов позволяет значительно упростить последующее экспериментальное решение задачи [1-15]. В работах [10-11, 16-19] сформулирована методика математического моделирования оптических явлений: интерполяция mi на необходимые длины волн, компьютерное моделирование физических процессов с определением актуальных характеристик [16-22]. Методика апробирована для создания оптического детонатора на основе азида серебра (инициирующего взрывчатого вещества) [6-22]. В дальнейшем она применялась для модернизации оптического детонатора на основе вторичных взрывчатых веществ с включениями наночастиц кобальта [7, 23], никеля [17, 23 - 25], хрома [7, 11], алюминия [10, 16, 18 - 23, 26], меди [7, 27-28], серебра [29], золота [30].

В видимой части спектра от 400 нм до 650 нм существуют лазеры с 14 рабочими длинами монохроматического излучения (1 и 2 столбцы таблицы 1). Длина волны 532 нм соответствует второй гармонике неодимового лазера. На сегодняшний день это наиболее мощный источник импульсного излучения в видимой части спектра [20 - 30]. Поглощающие свойства сферических наночастиц вольфрама радиуса (R) рассчитывались в рамках теории Ми, как в работах [16-30]. Коэффициент эффективности поглощения (Qabs) равен отношению сечения поглощения к геометрическому сечению шара. Зависимость Qabs(R) определяется значением комплексного показателя преломления металла на данной длине волны и оптической плотностью матрицы. В настоящей работе мы оцениваем оптические свойства наночастиц в вакууме. Расчет для алюминия, никеля, кобальта, меди, серебра показал, что в конденсированных матрицах значения Qabs несколько больше, чем в вакууме, и максимум этих величин наблюдается на меньших радиусах наночастиц [16-30].

Вначале необходимо оценить значения действительных и мнимых частей mi на необходимых длинах волн. Для этого воспользуемся [31] интерполяцией по имеющимся для отдельных длин волн значениям комплексного показателя поглощения. Методика расчета [24] в настоящей работе несколько модернизирована. Ранее требовалось определить параметры для целочисленных (в нм) длин волн. В настоящей работе сплайн необходимо проводить через 0.1 нм, так как для многих лазеров наблюдается дробное значение рабочих длин волн (например, для аргонового лазера таблица 1). Оцененные значения действительной и модуля мнимой частей mi приведены в 3 и 4 столбцах таблицы 1.

λ, нм

Лазер

Re(mi) [31]

Im(mi) [31]

Qm

Rm, нм

a, мкм -1

416

Криптоновый

3.7569

0.76696

1.8512

54.4

23.1681

440

Гелий - кадмиевый

3.7380

0.78300

1.8457

58.1

22.3624

488.0

Аргоновый

3.7874

0.79909

1.8328

63.7

20.5773

510.6

На парах меди

3.8261

0.80706

1.8243

66

19.8625

514.5

Аргоновый

3.8342

0.80744

1.8230

66.4

19.7213

530.9

Криптоновый

3.8704

0.80904

1.8218

86

19.1500

532

Неодимовый

3.8720

0.80907

1.8220

86.2

19.1112

567

Гелий - ртутный

3.9358

0.80901

1.8280

91.3

17.9300

568.2

Криптоновый

3.9385

0.80894

1.8282

91.4

17.8907

578.2

На парах меди

3.9497

0.81147

1.8286

92.9

17.6361

615

Гелий - ртутный

4.0063

0.81545

1.8322

98

16.6623

627

На парах золота

4.0185

0.81998

1.8319

99.7

16.4342

632.8

Гелий-неоновый

4.0268

0.82067

1.8323

100.5

16.2973

647.1

Криптоновый

4.0499

0.81637

1.8352

102.5

15.8536

Таблица 1. Рассчитанные значения действительной Re(mi) и модуля мнимой Im(mi) частей комплексного показателя преломления вольфрама, максимальные значения коэффициента эффективности поглощения Qm и соответствующего радиуса Rm, а также показатели поглощения пленок вольфрама на длинах волн λ.

По сравнению с исследованными в нашей лаборатории наночастицами алюминия, кобальта, никеля, серебра, меди [16-29], где в диапазоне шириной 100 нм Re(mi) и Im(mi) могут измениться в несколько раз [31], для вольфрама эти величины практически постоянны. Значения Re(mi) при увеличении длины волны от 416 до 440 нм несколько уменьшаются (с 3.7569 до 3.7380), далее к длине волны 647.1 нм (криптоновый лазер) возрастает до 4.0499. В диапазоне от 400 нм до 650 нм Re(mi) увеличивается менее чем на 10 %, что можно считать незначительным увеличением, по сравнению с другими металлами. Еще более удивительна ситуация с модулем мнимой части mi, где увеличение менее 7 %.

Рассчитаем зависимости коэффициента эффективности поглощения наночастиц вольфрама в диапазоне радиусов от 10 нм до 200 нм. Зависимости Qabs(R) для всех длин волн имеют максимумы (Qm), представленные в 5 столбце таблицы 1. Значения максимального коэффициента эффективности поглощения с увеличением длины волны постепенно уменьшаются и затем – возрастают. Значение максимума наблюдаются на криптоновом лазере при длине волны 416 нм и составляет 1.8512. Особенностью данной зависимости является то, что в отличие от других металлов, изменение Qm наблюдается во втором знаке после запятой и составляет в исследуемом диапазоне всего 1.5 %. Достаточно большое (сечение поглощения почти в 2 раза больше геометрического сечения) значение Qm делает вольфрам весьма перспективным металлом для использования в оптических системах. Игнорирование коэффициента эффективности поглощения, когда Qabs принимался равным 1 для всех радиусов частиц, является достаточно грубым приближением.

С увеличением длины волны значения радиусов, соответствующих максимальным значениям коэффициента эффективности поглощения при данной длине волны (Rm) возрастают. При переходе от длины волны аргонового лазера к криптоновому Rm резко возрастают, максимальное значение на длине волны 647.1 нм 102.5 (гелий-неоновый лазер).

Модуль мнимой части комплексного показателя поглощения непосредственно влияет на значение показателя поглощения пленок металла через выражение α=4π∙Im(mi)/λ. Рассчитанные значения α вольфрама в интервале длин волн лазеров представлены в столбце 7 таблицы 1. Показатель поглощения плавно уменьшается с увеличением длины волны, обратно пропорционально длине волны. Максимум – на самой короткой из рассматриваемой длине волны 416 нм 23.1681 мкм -1.

Практически постоянное значение коэффициента эффективности поглощения наночастиц вольфрама в видимой части солнечного спектра открывает широкие возможности использования этого материала в портативных датчиках солнечной активности. Авторы выражают благодарность научному руководителю профессору А. В. Каленскому.

Список литературы

  1. 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.
  2. 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.
  3. Ananyeva M. V., Kalenskii A. V. The size effects and before-threshold mode of solid-state chain reaction // Журнал СФУ. Серия: Химия. 2014. Т. 7. №4. С. 470-479.
  4. Халиков Р. М. Технологические схемы решения экологических проблем производства материалов // Nauka-Rastudent.ru. 2014. № 3(03). С. 10.
  5. Масленников Д. А., Лощилова Н. А. и др. Столкновение лесного пожара с водным барьером // Nauka-Rastudent.ru. 2014. № 12-1. С. 42.
  6. Боровикова А. П., Каленский А. В., Зыков И. Ю. Пространственно-временные характеристики волны горения в азиде серебра // Аспирант. 2014. №3. С. 37-42.
  7. Ананьева М. В., Звеков А. А., Зыков И. Ю. и др. Перспективные составы для капсюля оптического детонатора // Перспективные материалы. 2014. №7. С. 5-12.
  8. Ананьева М. В., Каленский А. В. Инициирование взрывного разложения микрокристаллов азида серебра // Молодой ученый. 2014. № 19. С. 52-55.
  9. Каленский А. В., Ципилев В. П. и др. Закономерности разлета продуктов взрыва монокристаллов азида серебра // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2008. Т. 5. № 1. С. 11-15.
  10. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р. и др. Взрывчатое разложение тэна с нанодобавками алюминия при воздействии импульсного лазерного излучения различной длины волны // ХФ. 2013. Т. 32. № 8. С. 39-42.
  11. Никитин А. П. Расчет параметров инициирования взрывного разложения тэна с наночастицами хрома // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2013. №2 (9). С. 29-34.
  12. Кригер В. Г., Каленский А. В., Звеков А. А. и др. Процессы теплопереноса при лазерном разогреве включений в инертной матрице // Теплофизика и аэромеханика. 2013. Т. 20. № 3. С. 375-382.
  13. Кригер В. Г., Каленский А. В., Звеков А. А. Релаксация электронно-возбужденных продуктов твердофазной реакции в кристаллической решетке // ХФ. 2012. Т.31. №1. С. 18-22.
  14. Каленский А. В., Ананьева М. В., Кригер В. Г., Звеков А. А. Коэффициент захвата электронных носителей заряда на экранированном отталкивающем центре // ХФ. 2014. Т. 33. № 4. С. 11-16.
  15. Каленский А. В., Булушева Л. Г. и др. Моделирование граничных условий при квантовохимических расчетах азидов металлов в кластерном приближении // ЖСХ. 2000. Т. 41. № 3. С. 605-608.
  16. Kalenskii A. V., Ananyeva M. V. Spectral regularities of the critical energy density of the pentaerythriol tetranitrate-aluminium nanosystems // Наносистемы: физика, химия, математика. 2014. Т. 5. № 6. С. 803-810.
  17. Zvekov A. A., Ananyeva M. V., Kalenskii A. V., Nikitin A. P. Regularities of light diffusion in the composite material pentaery thriol tetranitrate nickel // Наносистемы: физика, химия, математика. 2014. Т. 5. № 5. С. 685-691.
  18. 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.
  19. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите // ЖТФ. 2014. Т. 84. № 9. С. 126 - 131.
  20. Каленский А. В., Звеков А. А. и др. Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность энергии инициирования энергетических материалов // ФГВ. 2014. Т. 50. № 3. С. 98-104.
  21. 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.
  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. Ананьева М. В., Каленский А. В. и др. Кинетические закономерности взрывного разложения ТЭНа, содержащего наноразмерные включения алюминия, кобальта и никеля // Вестник КемГУ. 2014. №1-1 (57). С. 194-200.
  24. Каленский А. В., Ананьева М. В., Звеков А. А. и др. Спектральная зависимость критической плотности энергии инициирования композитов на основе пентаэритриттетранитрата с наночастицами никеля // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014. Т. 11. № 3. С. 340-345.
  25. Каленский А. В., Ананьева М. В., Никитин А. П. Оптические характеристики наночастиц никеля // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 11-1 (43). С. 5-13.
  26. Зыков И. Ю. Критическая плотность энергии инициирования тэна с добавками наночастиц алюминия // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2013. Т. 1. № 1 (8). С. 79-84.
  27. Никитин А. П. Расчет критических параметров инициирования теплового взрыва тэна с наночастицами меди // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2013. №4(11). С. 68-75.
  28. Газенаур Н. В., Зыков И. Ю., Каленский А. В. Зависимость показателя поглощения меди от длины волны // Аспирант. 2014.№5. С. 89-93.
  29. Одинцова О. В. Расчет коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра в пентаэритритатетранитрате // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2014. №3(14). С. 40-44.
  30. Лукатова С. Г. Расчет коэффициентов эффективности поглощения для композитов золото-тэн // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2014. №1(12). С. 95 – 98.
  31. Золотарев В. М., Морозов В. Н., Смирнова Е. В. Оптические постоянные природных и технических сред. Л.: Химия, 1984. 216 с.