Оптические характеристики наночастиц ванадия на первой гармонике неодимового лазера

№39-2,

физико-математические науки

Рассчитаны основные оптические характеристики наночастиц ванадия на первой гармонике неодимового лазера в диапазоне радиусов наночастиц от 20 до 300 нм. Максимальные значения коэффициентов эффективности поглощения - 1.074 для радиуса 153.1 нм, рассеяния - 2.313 для радиуса 186.1 нм и экстинкции - 3.309 для радиуса 177.6 нм. Для каждого радиуса наночастицы рассчитаны коэффициенты эффективности рассеяния и поглощения, альбедо однократного рассеяния, среднее значение косинуса индикатрисы рассеяния, доля рассеянной вперед энергии, максимальное значение и угол максимального значения индикатрисы рассеяния.

Похожие материалы

Введение

Развитие науки, разработка новых исполнительных устройств требует использования новых функциональных материалов и физико-химических процессов. Особое внимание уделяется работам, обеспечивающим безопасность взрывных работ [1-2], уменьшение вероятности техногенных катастроф, разработку альтернативных способов получения и преобразования энергии. В последние годы в этом направлении активно используются композиты на основе прозрачной матрицы и светопоглощающих наночастиц, представляющих большой интерес для лазерной физики и оптоэлектроники [3]. В этих материалах практически используются процессы поглощения и рассеяния света, создавая высокоскоростные оптические устройства, оптические детонаторы [4-6]. Экспериментальному и теоретическому исследованию индивидуальных коэффициентов эффективности поглощения наночастиц металлов, как в вакууме, так и в прозрачных матрицах посвящено немало работ различных исследовательских групп [5-10]. Значительно менее исследованы рассеивающие свойства наночастиц. Цель работы: оценка оптических характеристик наночастиц ванадия на первой гармонике неодимового лазера.

Актуальность работы

Среди наиболее перспективных светорассеивающих частиц выделяются наночастицы ванадия [11]. Они отличаются достаточно большим коэффициентом эффективности поглощения, сочетанием необходимых для создания оптического детонатора теплофизических и каталитических свойств, возможность сочетания в одном устройстве как поглощающих, так и рассеивающих свойств наночастицы в зависимости от радиуса наночастиц, длины волны и оптической плотности матрицы [11]. Востребованы материалы, которые в отдельных спектральных областях являются преимущественно рассеивающими, а в других – поглощающими. Перспективность использования наночастиц ванадия в композитах на основе вторичных взрывчатых веществ (прозрачная матрица) в качестве капсюлей оптических детонаторов делает актуальным исследование оптических свойств наночастиц на длине волны первой гармонике неодимового лазера – наиболее мощного и доступного источника импульсного когерентного излучения. На эксплуатационные свойства капсюля и освещенность внутри композита существенно влияют процессы многократного рассеяния света наночастицами металла [7-9, 12], что экспериментально было доказано в прессованных таблетках PENT - алюминий [8].

Методика расчета

Оптические характеристики наночастиц ванадия рассчитывались по теории Ми. Рассчитываемые характеристика зависят от радиуса наночастицы, длины волны и комплексного показателя преломления (mi) металла на соответствующей длине волны (λ). В [4-14]

Рассчитанные зависимости коэффициентов эффективности экстинкции, рассеяния и поглощения от радиуса наночастиц ванадия в вакууме.

Рис. 1. Рассчитанные зависимости коэффициентов эффективности экстинкции, рассеяния и поглощения от радиуса наночастиц ванадия в вакууме.

предложена и апробирована методика исследования оптических процессов с участием наночастиц металлов: интерполяция mi на необходимые длины волн, математическое моделирование физических процессов с определением актуальных характеристик. На первой гармонике неодимового лазера (длина волны 1064 нм) mi ванадия по данным [15], интерполированным на необходимую длину волны составляет величину 2.705-4.170i. Напрямую в рамках теории Ми можно рассчитать коэффициенты эффективности экстинкции (Qext), рассеяния (Qsca) и разницу этих величин – коэффициент эффективности поглощения (Qabs) [4-14].

На рисунке 1 представлены рассчитанные зависимости коэффициентов эффективности экстинкции, рассеяния и поглощения в диапазоне радиусов наночастиц ванадия от 20 до 300 нм. Все зависимости имеют максимум, положение и амплитуда которых различаются. Максимальные значения коэффициентов эффективности поглощения составили 1.074 для радиуса 153.1 нм, рассеяния - 2.313 для радиуса 186.1 нм и экстинкции - 3.309 для радиуса 177.6 нм. Оптимальный радиус экстинкции (ослабления) находится между наиболее рассеивающим радиусом и наиболее поглощающим. Сравнение с рассчитанными значениями оптических характеристик наночастиц кобальта [16], никеля [12, 14, 17], хрома [13], алюминия [5-9, 18], меди [10] в PENT показало, что в вакууме оптимальный радиус наночастиц сдвинут в сторону больших значений (примерно в 1.5 раза), при этом амплитуда несколько меньше.

В рамках теории Ми также можно рассчитать индикатрису рассеяния - угловое и пространственное распределение интенсивности рассеянного на наночастицы света. Эта функция показывает относительную плотность энергии, рассеянную на угол θ от первоначального направления света. Геометрия задачи определяет сферическую симметрию зависимости I(θ). Для количественной характеристики индикатрисы рассеяния используются основная величина фактор анизотропии или среднее значение косинуса угла рассеяния (Scos) [19]. В анизотропных средах индикатриса рассеяния вытянута вперед со значением Scos < 1. Индикатриса рассеяния Земной атмосферы зависит от длины волны рассеиваемого света и в облачную погоду значение Scos может быть больше 0.8 [19].

В настоящей работе предлагается использовать еще несколько характеристик индикатрисы рассеяния: параметр S+, определяющий часть энергии, рассеянной вперед по отношению к направлению первоначального распространения света, максимальное значение индикатрисы рассеяния (Qs_m), превышение максимального значения индикатрисы над средним (Qs_m*π) и угол с максимальном значением индикатрисы рассеяния (θs_m). Кроме этих величин в таблице сведены значения коэффициентов эффективности поглощения и рассеяния, альбедо однократного рассеяния (Ls= Qsca/( Qsca+ Qabs)).

Таблица. Рассчитанные значения коэффициентов (факторов) эффективности поглощения (Qabs) и рассеяния (Qsca), альбедо однократного рассеяния (Ls), среднее значение косинуса индикатрисы рассеяния (Scos), доля рассеянной вперед энергии (по направлению первоначального направления света S+), максимальное значение (Qs_m) и превышение максимальное над средним значением индикатрисы (Qs_m*π) и угол с максимальном значением индикатрисы рассеяния (θs_m).

R

Qabs

Qsca

Ls

Scos

S+

Qs_m

Qs_m*π

θs_m

20

0.0617

0.0006

0.0093

-0.0046

0.4966

0.4113

1.2922

125.5

40

0.1562

0.0098

0.0590

-0.0198

0.4855

0.4215

1.3242

126.3

60

0.3006

0.0537

0.1517

-0.0451

0.4669

0.4388

1.3787

127.4

80

0.4890

0.1869

0.2765

-0.0728

0.4466

0.4580

1.4389

128.5

100

0.7031

0.4919

0.4117

-0.0926

0.4324

0.4714

1.4811

129.4

120

0.9106

1.0198

0.5283

-0.1001

0.4275

0.4758

1.4949

130.1

140

1.0480

1.6526

0.6119

-0.0982

0.4299

0.4731

1.4862

130.9

160

1.0676

2.1237

0.6655

-0.0928

0.4353

0.4673

1.4680

132.1

180

1.0027

2.3052

0.6969

-0.0905

0.4393

0.4637

1.4567

134.1

200

0.9200

2.2826

0.7127

-0.0991

0.4369

0.4694

1.4748

137.3

220

0.8597

2.1865

0.7178

-0.1263

0.4231

0.4938

1.5512

141.2

240

0.8326

2.1035

0.7164

-0.1762

0.3952

0.5419

1.7025

144.8

260

0.8319

2.0738

0.7137

-0.2431

0.3563

0.6050

1.9008

147.4

280

0.8410

2.0985

0.7139

-0.3102

0.3164

0.6623

2.0806

149.2

300

0.8422

2.1475

0.7183

-0.3626

0.2843

0.6992

2.1965

150.6

В зависимости от радиуса наночастицы оптические свойства значительно изменяются: для минимального радиуса коэффициенты эффективности как рассеяния, так и поглощения минимальны и определяются законом Рэлея. Индикатриса рассеяния близка к сферической: значение среднего косинуса близко к 0, максимальное значение индикатрисы всего на 29.22% превышают среднее значение. Среднее значение нормированной индикатрисы составляет 1/π, поэтому относительное значение индикатрисы можно рассчитать по выражению Qs_m*π. Угол максимального рассеяния близок к 125 о.

Зависимость отношения энергий рассеянных на наночастицах ванадия в вакууме назад (S+) и вперед (S-) по отношению к первоначальному направлению распространения света.

Рис. 2. Зависимость отношения энергий рассеянных на наночастицах ванадия в вакууме назад (S+) и вперед (S-) по отношению к первоначальному направлению распространения света.

С увеличением радиуса как значение Qabs, так и Qsca возрастают, но коэффициент эффективности рассеяния возрастает быстрее, что проявляется в увеличении значения альбедо однократного рассеяния практически от нулевого значения до 0.77, когда основная часть ослабления импульса осуществляется за счет рассеяния. Величина Scos изменяется достаточно плавно с небольшим экстремумом на 100 нм. В диапазоне от 20 до 300 нм наблюдается переход от сферической индикатрисы к вытянутой назад. Значения S+ подтверждают этот вывод. На рис. 2 представлена зависимость отношения энергий рассеянных назад (S+) и вперед (S-) по отношению к первоначальному направлению распространения света. С увеличением радиуса наночастиц увеличивается как максимальное значение индикатрисы рассеяния, так и угол этого рассеяния, что несет дополнительную информацию об индикатрисе рассеяния (кроме Scos).

Вывод

Введенные в статье количественные характеристики индикатрисы рассеяния удобны для ее анализа. 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 // Журнал сибирского федерального университета. Серия: Химия. 2014. Т. 7. №4. С. 470-479.
  2. Халиков Р. М. Технологические схемы решения экологических проблем производства материалов // Nauka-Rastudent.ru. 2014. № 3(03). С. 10.
  3. 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.
  4. Адуев Б. П., Ананьева М. В. и др. Микроочаговая модель лазерного инициирования взрывного разложения энергетических материалов с учетом плавления // ФГВ. 2014. Т. 50. № 6. С. 92-99.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите // ЖТФ. 2014. Т. 84. № 9. С. 126 - 131.
  9. 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.
  10. Газенаур Н. В., Зыков И. Ю., Каленский А. В. Зависимость показателя поглощения меди от длины волны // Аспирант. 2014.№5. С. 89-93.
  11. Ананьева М. В., Звеков А. А., Зыков И. Ю. и др. Перспективные составы для капсюля оптического детонатора // Перспективные материалы. 2014. №7. С. 5-12.
  12. 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.
  13. Никитин А. П. Расчет параметров инициирования взрывного разложения тэна с наночастицами хрома // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2013. №2 (9). С. 29-34.
  14. 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.
  15. Золотарев В. М., Морозов В. Н., Смирнова Е. В. Оптические постоянные природных и технических сред. Л.: Химия, 1984. 216 с.
  16. 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.
  17. 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.
  18. 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.
  19. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. Москва: Химия. 2000. 672 с.