Характеристики поглощения наночастицами железа излучения длин волн современных лазеров

http://vestnik-nauki.ru/

2015, Т. 1, №2

УДК 535.341

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОГЛОЩЕНИЯ НАНОЧАСТИЦАМИ ЖЕЛЕЗА ИЗЛУЧЕНИЯ

ДЛИН ВОЛН СОВРЕМЕННЫХ ЛАЗЕРОВ

А.В. Каленский, А. А. Звеков, А.П. Никитин

ABSORPTION CHARACTERISTICS OF IRON NANOPARTICLES RADIATION WITH A

WAVELENGTH MODERN LASERS

A.V. Kalenskii, A.A. Zvekov, A.P. Nikitin

Аннотация. В работе оценены комплексные показатели преломления наночастиц железа для длин волн современных лазеров в спектральном диапазоне 300-1100 нм. На основании оцененных данных рассчитаны показатели поглощения и максимальные коэффициенты эффективности поглощения наночастиц железа в прозрачной матрице на актуальных длинах волн. Показано, что увеличение длины волны излучения приводит к уменьшению максимального коэффициента эффективности поглощения и увеличению радиуса наиболее поглощающей частицы.

Ключевые слова: теория Ми; наночастицы железа; лазерное излучение; коэффициент эффективности поглощения.

Abstract. In this work we evaluated the complex refractive index of iron nanoparticles for advanced laser wavelengths in the spectral range 300-1100 nm. Based on these data we calculated the estimated absorption coefficients and absorption efficiency of composites "iron nanoparticles" -"a transparent insulator" at these wavelengths. It is shown that an increase in the wavelength of the radiation reduces the maximum rate of increase in the absorption efficiency coefficient and the most absorbing particles.

Key words: Mie theory; iron nanoparticles; the laser light; absorption efficiency coefficient.

Для создания новых и оптимизации существующих исполнительных устройств различного назначения необходимо разрабатывать новые функциональные материалы. Это основное направление химического материаловедения, однако, кроме революционного, возможно эволюционное развития науки. В данном случае - поиск новых областей применения существующих материалов. Использование наночастиц в современной науке и технике пока ограничено накоплением данных по их физико-химическим характеристикам и способам синтеза [1, 2]. Это касается и одного из первых открытых металлов - железа. Его область применения на сегодняшний день касается конструкционных материалов, атомной энергетики, электроники. Для расширения областей использования наночастиц и пленок железа, в частности, при создании принципиально новых систем хранения и записи информации, оптических детонаторов [3-4], необходимо исследовать оптические характеристики. Перспективы использования наночастиц железа в качестве сенсибилизирующих добавок к бризантному взрывчатому веществу на первой гармонике неодимового лазера отмечались в работе [5]. Необходимо найти условия, при которых коэффициент эффективности поглощения на-ночастицы максимален, так как в этом случае поглощение монохроматического излучения приводит к значительному увеличению температуры при облучении относительно небольшими по мощности импульсами лазеров [6-7]. Для использования железа в оптических системах с лазерным источником света необходимо исследовать оптических свойств металла на актуальных длинах волнах. Целью работы является оценка комплексных показателей преломления (ш,) железа на длинах волн существующих лазеров в диапазоне 300 нм - 1100 нм,

Введение

http://vestnik-nauki.ru/

2015, Т. 1, №2

расчет показателей поглощения пленок и максимальных коэффициентов эффективности поглощения наночастиц железа в прозрачной матрице.

В актуальном спектральном диапазоне, на котором функционируют современные оптические системы, от ближнего ультрафиолетового до коротковолновой области инфракрасного излучения (300-1100 нм) можно выделить актуальные лазеры с различными рабочими телами и источниками накачки. В настоящей работе выбрано 24 лазера, активно используемых в научных исследованиях и имеющих широкое практическое применение в археологии, медицине, косметологии, устройствах нелинейной оптики.

Для правильного понимания процессов, происходящих в композитных материалах под действием лазерного излучения, необходимо знать их поглощающую способность к свету определенной длины волны [8]. Решение этой задачи экспериментальными методами сопряжено с большими трудностями [9]. Для ее решения в рамках теории Ми в среде Matlab написан пакет прикладных программ, для расчета коэффициента эффективности поглощения (Qabs) (отношение сечения поглощения света наночастицей к геометрическому сечению). Основным параметром для расчета Qabs служит комплексный показатель преломления (m,) материала. Для решения этой проблемы применялся метод сплайн-интерполяции табличных данных [10] с шагом 0.1 нм, с последующим поиском порядковых номеров элементов массива для определения характеристик на интересующих нас длинах волн лазеров.

Ниже приведен фрагмент программы для решения поставленной задачи («%» означает комментарии к программе, отображается зеленым цветом и не исполняется).

Lh=[301 311 320 332 354 368 382 397 413 430 451 471 496 521 549 582 617 660 704 756 821 892 984 1090];% массив длин волн из справочника [10];

LL_Fe=Lh(1):0.1:Lh(length(Lh)); % массив с длинами волн от 301 нм (первой в массиве Lh) до 1090 нм (последней) через 0.1 нм. Такая точность определяется длинами волн существующих лазеров (таблица).

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

nL=[308.0 325.0 337.1 416.0 440.0 488.0 500.0 510.6 514.5 530.9 567.0 578.2 590.0 615.0 627.0 647.1 694.3 752.5 800.0 900.0 1030.0 1047.0 1064.0 1100.0]; % массив с длинами волн исследуемых лазеров (в нм).

Re_Fe=[1.6700 1.6900 1.7400 1.7800 1.9300 2.0200 2.1200 2.2400 2.3500 2.4800 2.5900 2.6700 2.7400 2.8600 2.9500 2.9400 2.8800 2.9200 2.8600 2.8700 2.9400 2.9600 2.9200 2.9700]; % массив с действительными частями комплексного показателя преломления Re(mi) для длин волн из массива Lh по данным работы [10].

Im_Fe=[2.0000 2.0600 2.1200 2.1900 2.3500 2.4300 2.5000 2.5800 2.6500 2.7100 2.7700 2.8200 2.8800 2.9100 2.9300 2.9900 3.0500 3.1000 3.1900 3.2800 3.3900 3.5600 3.7900 4.0600]; % массив с мнимыми частями комплексного показателя преломления Im(mi) для длин волн из массива Lh [10].

rr=Lh; % массив длин волн из справочника [10], сшивка с элементами программ решения аналогичных задач [11-13].

L1=rr(1):0.1:rr(length(rr)); % массив длин волн через 0.1 нм.

r1=spline(rr(1:length(rr)),Re_Fe(1:length(rr)),L1); % 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 Re_Fe с одновременным минимумом длины и суммы изменений производной), встроенным в систему MatLab.

r2=spline(rr(1:length(rr)),Im_Fe(1:length(rr)),L1); % определяет массив yy2, также размером nk, в котором находятся интерполированные с шагом 0.1 нм значения модулей мнимых частей комплексного показателя преломления железа.

http://vestnik-nauki.ru/

for i=1:length

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

ty(ii)=(LL_Fe(ii)-n)A2; % определяем массив ty, который имеет длину nk (от 301 нм до 1090 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

Таблица - Оптические характе

зистики наночастиц железа на разных длинах волн

Вид лазера X, нм Шг а, мкм-1 Qabs max Rmax, нм

Эксимерный (ХеС1). 308 1.6760-2.0401i 83.2345 2.1029 24.9

Гелий-кадмиевый 325 1.7577-2.1491i 83.0979 2.1182 26.5

Азотный лазер 337.1 1.8064-2.2248i 82.9349 2.1250 27.6

Криптоновый лазер 416 2.3726-2.6615i 80.3961 1.9648 37.0

Гелий-кадмиевый 440 2.5388-2.7402i 78.2595 1.9159 40.0

Аргоновый лазер 488.0 2.7147-2.8629i 73.7225 1.8679 44.9

На Кумарине 102 500 2.7562-2.8870i 72.5592 1.8573 46.2

Лазер на парах меди 510.6 2.8076-2.9011i 71.3996 1.8453 47.4

Аргоновый лазер 514.5 2.8277-2.9049i 70.9512 1.8409 47.9

Криптоновый лазер 530.9 2.9019-2.9159i 69.0183 1.8255 49.7

Гелий-ртутный лазер 567 2.9581-2.9594i 65.5887 1.8119 53.2

на парах металлов

Лазер на парах меди 578.2 2.9463-2.9822i 64.8140 1.8122 54.2

На Родамине 60 590 2.9239-3.0058i 64.0212 1.8143 55.1

Гелий-ртутный лазер 615 2.8809-3.0474i 62.2671 1.8186 57.0

на парах металлов

На парах золота 627 2.8835-3.0617i 61.3621 1.8166 58.1

Криптоновый лазер 647.1 2.9100-3.0828i 59.8672 1.8093 60.1

Рубиновый лазер 694.3 2.8749-3.1692i 57.3599 1.8057 64.0

Криптоновый лазер 752.5 2.8664-3.2746i 54.6840 1.7922 69.1

На александрите 800 2.9197-3.3505i 52.6298 1.7704 73.6

Титан-сапфировый 900 2.9581-3.5803i 49.9907 1.7208 82.6

УЬ:УЛа 1030 2.9153-3.9051i 47.6435 1.6501 93.9

ШУЬБ 1047 2.9221-3.9483i 47.3880 1.6381 95.5

шуЛО 1064 2.9353-3.9919i 47.1468 1.6252 97.2

Титан-сапфировый 1100 2.9700-4.0600i 46.8068 1.6037 100.6

Определенные действительные и мнимые части комплексного показателя преломления наночастиц железа в интересующем нас спектральном диапазоне представлены на рис. 1 и таблице. На всех длинах волн зависимость мнимой части (/да) комплексного показателя преломления представляет собой возрастающую функцию без максимумов. Аналогичных характер поведения повторяет действительная часть (Яе) до длины волны Л,=567 нм. С последующим увеличением длины волны ЗЯе/Ш~0.

На основании рассчитанных комплексных показателей преломления, в рамках теории Ми [3-9], рассчитаны коэффициенты эффективности поглощения излучений исследуемых лазеров композитами «наночастицы железа» - «прозрачный диэлектрик». На рис. 2 приведены зависимости Qabs(R) при воздействии лазеров с длинами волн излучения, указанных в легенде. Все кривые имеют полиэкстремальный характер с неявно выраженным вторым максимумом. Поэтому в качестве параметра, определяющего оптимальные оптические характеристики наночастиц железа, выбран максимальный коэффициент эффективности поглощения ^аЬц тах) на соответствующем радиусе наночастиц (Ятах) (как в работах [14-25]). При

http://vestnik-nauki.ru/

размерах наночастиц железа меньше Ятах значение коэффициента эффективности поглощения резко стремится к нулю при действии коротковолновых лазеров. С увеличением длины волны излучения изменение Qabs относительно радиуса уменьшается при Я<Ятах.

4.5

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

X, нм

Рисунок 1 - Спектральные зависимости действительных (сплошная линия) и мнимых (пунктирная линия) частей комплексного показателя преломления железа

т

Практически во всем спектральном диапазоне сохраняется следующая тенденция: при увеличении длины полны падающего света, амплитуда значения максимального коэффициента поглощения Qaъs тах уменьшается, с одновременным ростом радиуса наиболее поглощающих наночастиц Ятах.

К, нм

Рисунок 2 - Зависимости коэффициентов эффективности поглощения света (1 - Л=308 нм; 2 - ^=337.1 нм; 3 - Л=590 нм; 4 - Л=800 нм; 5 - Л,=1064 нм) наночастицами железа в прозрачно матрице с показателем преломления 1.5 от радиуса

При Л,<337 нм максимальный коэффициент эффективности поглощения уменьшается с одновременным уменьшением Ятах. Из рассчитанных параметров можно сделать вывод о

том, что в интервале длин волн 300-1000 нм, наибольшее значение Qabs тах наблюдается при воздействии азотного лазера. Плазмонный резонанс [14] в наночастицах железа выражен достаточно слабо, как в металлах никеля [15, 16] и кобальта [16, 17]. В наночастицах меди [7, 18], серебра [19-21] и золота [22-24] Qaъs тах изменяется в исследуемом спектральном диапазоне в десятки раз. Для наночастиц алюминия в прозрачных матрицах наблюдается промежуточная картина, когда QaЪs тах в исследуемом спектральном диапазоне увеличивается в 2 раза [8, 25].

Для полноты картины наряду с коэффициентами эффективности поглощения рассчитывались коэффициенты поглощения (а), который в общем случае зависит от длины волны падающего света, 1т и является характеристикой не наночастиц, а макрообъекта [17]. Например, на александритовом лазере (,=800 нм) а = 52.6298 мкм-1. Аналогичные характеристики рассчитаны для других лазеров и представлены в таблице.

На основании рассчитанных параметров видно, что зависимость QaЪs тах(А) можно разбить на 4 условных участка. При длине волны меньше 337 нм функция возрастающая, и максимальное значение коэффициента эффективности поглощения на всем спектральном диапазоне отмечается именно на азотном лазере (,=337.1 нм) 2.1250. Второй участок находится в интервале длин вол от 337 нм до 567 нм и описывается монотонно убывающей функцией. От гелий-ртутного лазера до рубинового (=694.3 нм) располагается отрезок с отсутствием зависимости максимального коэффициента эффективности поглощения от длины волны с максимальным отклонением AQaЪs тах<1%. Заключительный участок располагается от 694.3 нм до конца исследуемого диапазона (1100 нм), который характеризуется плавным спадом. Положение максимальных коэффициентов эффективности поглощения (Ятах) на всем исследуемом интервале длин волн монотонно увеличивается от 25 нм на эксимерном лазере до 100.6 на титан-сапфировом.

Заключение

В работе оценены комплексные показатели преломления наночастиц железа на длинах волн современных лазеров, в спектральном диапазоне 300 - 1100 нм. На основании этих данных рассчитана поглощающая способность композитов «наночастицы железа» - «прозрачный диэлектрик». Сделан вывод о том, что максимальное поглощение наблюдается при воздействии азотного лазера на композиционный материал, состоящий из прозрачного диэлектрика с показателем преломления 1.5 и наночастиц железа с радиусом 27.6 нм.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Захаров Ю.А., Пугачев В.М., Датий К. А. и др. Получение и некоторые свойства на-норазмерных порошков системы Fe-Co-Ni // Вестник Кемеровского государственного университета, 2013. № 3-3 (55). С. 77 - 80.

2. Захаров Ю.А., Колмыков Р.П. Получение наноразмерных порошков никеля и кобальта для современной промышленности // Ползуновский вестник, 2008. № 3. С. 137-140.

3. 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.

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

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

6. 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.

7. Никитин А.П. Расчет критических параметров инициирования теплового взрыва тэна с наночастицами меди // Современные фундаментальные и прикладные исследования,

2013. №4(11). С. 68-75.

8. 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.

9. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите // ЖТФ. 2014. Т. 84. № 9. С. 126 - 131.

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

11. Боровикова А.П., Каленский А.В. Методика моделирования распространения взрывного разложения азида серебра // Аспирант, 2014. №4. С. 96-100.

12. Ананьева, М.В., Каленский А.В. Математическое моделирование взрывного разложения энергетических материалов // Молодой ученый, 2014. № 21 (80). С. 1-6.

13. Каленский А.В., Ананьева М.В., Кригер В.Г. и др. Коэффициент захвата электронных носителей заряда на экранированном отталкивающем центре // Химическая физика,

2014. Т. 33. № 4. С. 11-16.

14. Каленский А.В., Звеков А.А., Никитин А.П. и др. Особенности плазмонного резонанса в наночастицах различных металлов // Оптика и спектроскопия, 2015. Т. 118. № 6. С. 1012-1021.

15. Каленский А.В., Ананьева М.В., Никитин А.П. Оптические характеристики нано-частиц никеля // Современные научные исследования и инновации, 2014. № 11-1 (43). С. 513.

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., Ананьева М.В. Коэффициенты эффективности поглощения нано-частиц кобальта в прозрачных средах // Справочник. Инженерный журнал с приложением,

2015. № 5 (218). С. 56-60.

18. Газенаур Н.В., Зыков И.Ю., Каленский А.В. Зависимость показателя поглощения меди от длины волны // Аспирант, 2014.№5. С. 89-93.

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

20. Одинцова О.В. Расчет взрывной чувствительности композитов пентаэритритатет-ранитрат-серебро к действию лазерного импульса // Современные фундаментальные и прикладные исследования, 2014. № 4 (15). С. 38-43.

21. Зыков И.Ю., Одинцова О.В. Спектральная зависимость коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра в прозрачной матрице // Аспирант, 2014. №5. С. 9497.

22. Лукатова С.Г. Расчет коэффициентов эффективности поглощения для композитов золото-тэн // Современные фундаментальные и прикладные исследования, 2014. №1(12). С. 95 - 98.

23. Лукатова С.Г. Спектральные закономерности коэффициентов эффективности поглощения композитов золото-тэн // Современные фундаментальные и прикладные исследования, 2014. № 2(13). С. 54 -58.

24. Лукатова С.Г., Одинцова О.В. Взрывное разложение композитов на основе пента-эритриттетранитрата с наночастицами золота // Вестник КемГУ, 2014. № 4-2(60). С. 218-222.

25. Зыков И.Ю. Критическая плотность энергии инициирования тэна с добавками на-ночастиц алюминия // Современные фундаментальные и прикладные исследования, 2013. Т. 1. № 1 (8). С. 79-84.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Каленский Александр Васильевич ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет», г. Кемерово, Россия, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры химии твердого тела и химического материаловедения, E-mail: kriger@kemsu.ru.

Kalenskii Alexander VasiFevich FSEI HPE «Kemerovo State University», Kemerovo, Russia, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Proffesor, Professor of Solid State Chemistry and Chemical Materials, E-mail: kriger@kemsu.ru.

Звеков Александр Андреевич ФГБУН Институт углехимии и химического материаловедения СО РАН, г. Кемерово, Россия, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории энергетических соединений и нанокомпозитов, E-mail: kriger@kemsu.ru.

Zvekov Alexander Andreevich FSIS Institute of Coal Chemistry and Material Sciences SB RAS, Kemerovo, Russia, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, researcher of Laboratory of energetic compounds and nanocomposites,

E-mail: kriger@kemsu.ru.

Никитин Андрей Павлович ФГБУН Институт углехимии и химического материаловедения СО РАН, г. Кемерово, Россия, аспирант, инженер лаборатории энергетических соединений и нанокомпозитов, E-mail: kriger@kemsu.ru.

Nikitin Andrey Pavlovich FSIS Institute of Coal Chemistry and Material Sciences SB RAS, Kemerovo, Russia, graduate student, engineer of Laboratory of energetic compounds and nanocomposites, E-mail: kriger@kemsu.ru.

Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 650000, Кемерово, ул. Красная, 6, КемГУ, каб. 1531. Каленский А.В. 8-953-060-98-74.