ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАНОЧАСТИЦ ВОЛЬФРАМА В ПРОЗРАЧНОЙ МАТРИЦЕ

В статье представлены результаты расчетов коэффициентов эффективности поглощения и рассеяния света наночастицами вольфрама в прозрачной матрице с параметрами тетранитратапентаэритрита. Значения комплексного показателя преломления для частиц вольфрама на первой и второй гармониках неодимового лазера (1064 и 532 нм) получены кубической интерполяцией табличных данных. Показано, что наночастицы радиусом около 53 нм, поглощают излучение второй гармоники неодимового лазера наиболее эффективно. В то же время переход от первой ко второй гармонике приводит увеличению на 7% коэффициента эффективности поглощения, что значительно меньше, чем для большинства металлов.

Ключевые слова: Коэффициент эффективности поглощения; наночастицы; пентаэритриттетранитрат; теория Ми.

 

THE OPTICAL CHARACTERISTICS OF NANOPARTICLES OF THE TUNGSTEN IN THE TRANSPARENT MATRIX

Kalenskii A.V., Nikitin A.P., Gazenaur N.V. Kemerovo State University, Kemerovo

The article presents the results of calculations of the absorptivity and scattering of light by nanoparticles of tungsten in a transparent matrix with parameters PETN. The values of the complex refractive index of the particles of tungsten on the first and second harmonic of a neodymium laser (1064 nm and 532 nm) were obtained cubic interpolation of tabular data. It has been shown that nanoparticles about 53 nm in radius, absorb radiation of the second harmonic of a neodymium laser is most effective. At the same time, the transition from the first to the second harmonic results in a 7% increase in the absorptivity, which is substantially less than most metals.

Key words: Absorptivity; nanoparticles; PETN; Mie theory.

 

 

Композиты на основе наночастиц металлов и прозрачной матрицы представляют особый интерес для лазерной физики и оптоэлектроники [10]. Поэтому экспериментальному и теоретическому исследованию оптических свойств наночастиц металлов посвящен широкий спектр работ [3-4,9]. Актуальность проблемы заключается в возможности практического использования процессов поглощения и рассеяния света наночастицами в солнечных батареях, переключающих устройствах нелинейной оптики, и оптических детонаторах [2,5]. Композиты на основе вольфрама широко востребованы в качестве прочного, износостойкого материала. Кроме того, наночастицы вольфрама проявляют высокую каталитическую активность, и могут в перспективе служить заменой благородных (дорогих) металлов. Взаимодействие излучения с наночастицей приводит к ее нагреванию и может инициировать нелинейные физико-химические процессы в материале матрицы [1,16]. В случае устройств нелинейной оптики возникающие термоупругие напряжения способны вызвать деградацию потребительных свойств материала. С другой стороны, оптимизация составов капсюлей оптических детонаторов требует, чтобы взрывное разложение вещества начиналось при наименьших значениях плотности энергии лазерного импульса [6,12]. Целью настоящей работы является оценка коэффициентов эффективности поглощения и рассеяния наночастиц вольфрама в прозрачных матрицах с параметрами тетранитратапентаэритрита (тэна) для первой и второй гармоник неодимового лазера.

Коэффициенты эффективности  поглощения (Qabs) и рассеяния (Qsca) сферическим наночастицами определенного радиуса рассчитывались в рамках теории Ми. Для оценки оптических характеристик наночастиц необходимо использовать значение комплексного показателя преломления для интересующей длины волны (mi) [11]. В работе реализована методика кубической интерполяции имеющихся экспериментальных данных [7] методом наименьших квадратов. Для расчета брались 6 ближайших точек. Так как показатель преломления металлов состоит из двух частей (действительной и мнимой), то при каждой длины волны (λ) обе части определялись отдельно.

Значения комплексного показателя преломления для длины волны 1064 нм составили 2.986 (действительная часть), и 3.763 (мнимая часть). В итоге получен следующий комплексный показатель преломления вольфрама mi=2.986-3.763i. Для второй гармоники соответствующее значение mi=3.141-2.431i. При переходе от первой гармоники ко второй, действительная часть показателя преломления увеличивается на ≈5%, а мнимая уменьшается в 1.5 раза.

Кроме mi коэффициенты эффективности рассеяния и поглощения существенно зависят от  показателя преломления матрицы (m0). Следует отметить, что для многих органических веществ показатель преломления близок      к      1.5,      например,      для      гексогена       –      1.5,      тэна      –      1.54.      Большинство теоретических и экспериментальных работ по определению оптических характеристик металлов выполнены на матрице тэна [2-10,12-17]. Для возможности сравнить полученные результаты для вольфрама с оптическими характеристиками других металлов, в работе использована матрица с параметрами тэна. Рассчитанные зависимости Qsca и Qabs от радиуса наночастиц вольфрама (R) в матрице тэна для первой гармоники неодимового лазера (1064 нм) представлены на рисунке 1.а. Зависимости имеют абсолютные максимумы (Qsca_max и Qabs_max), значения которых составляют Qsca_max = 1.961 и Qabs_max = 1.677, при радиусах наночастиц Rsca_max = 126 нм и Rabs_max = 97.6 нм, соответственно. Для радиусов наночастиц больших 62 нм значение коэффициента эффективности поглощения больше 1. Наночастицы вольфрама с радиусами меньше 50 нм практически не рассеивают излучение первой гармоники неодимового лазера. В области радиусов меньших 101 нм, поглощение преобладает над рассеянием.

На Рисунке 1.б представлены рассчитанные зависимости коэффициентов эффективности поглощения и рассеяния света от радиуса наночастиц вольфрама в матрице тэна на второй гармонике неодимового лазера. Зависимости для длины волны λ = 532 нм аналогичны рассчитанным при длине волны 1064 нм. Для радиусов наночастиц меньших 98.1 нм поглощение света преобладает над рассеянием. В этой области Qabs достигает максимальное значение 1.795 при радиусе наночастицы 53 нм. Максимальное значение коэффициента эффективности рассеяния Qsca_max (1.6), достигается при радиусе наночастиц 113 нм. Для анализируемых значений λ зависимости коэффициентов эффективности поглощения и рассеяния стремятся к стационарному значению при R → ∞. В области малых радиусов происходит уменьшение Qabs и Qsca в соответствии с законом Рэлея.

Примечательной особенностью рассчитанных зависимостей оптических характеристик наночастиц вольфрама для первой и второй гармоник неодимового лазера является следующее: амплитуда максимумов коэффициента эффективности поглощения увеличивается в 1.07 раза (на 7 %) при переходе от первой ко второй гармонике неодимового лазера. Данное изменение относительно невелико по сравнению с другими металлами. Например, для наночастиц серебра амплитуда максимума при переходе от первой ко второй гармонике увеличивается в 3 раза [13], алюминия и кобальта – в 4 раза [9, 15], никеля – в 9 раз [14], золота - в 29 раз [17], а меди – в 34 раза [8]. Причина может заключаться в том, что при изменении длины волны мнимая часть показателя преломления вольфрама остается практически неизменной, однако этот эффект нуждается в дальнейшем исследовании. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ госзадание № 2014/64 и Российского Фонда Фундаментальных Исследований (№ 14-03-00534 А).

 

Список литературы

1.     Ananyeva M.V. и др. 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.     Kalenskii A.V. и др. 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.

3.     Zvekov A.A. и др. Regularities of light diffusion in the compo site material pentaery thriol tetranitrate – nickel // Наносистемы: физика, химия, математика. 2014. Т. 5. № 5. С. 685-691.

4.     Адуев Б.П. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите с использованием фотометрического шара// Журнал технической физики. 2014. Т. 84. № 9. С. 126-131.

5.     Адуев Б.П. и др. Микроочаговая модель лазерного инициирования взрывного разложения энергетических материалов с учетом плавления // Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50. № 6. С. 92-99.

6.     Ананьева М.В. и др. Математическое моделирование взрывного разложения энергетических материалов // Молодой ученый. 2014. № 21. С. 1-6.

7.     Ананьева М.В. и др. Кинетические закономерности взрывного разложения ТЭНа, содержащего наноразмерные включения алюминия, кобальта и никеля // Вестник КемГУ. 2014. № 1-1(57). С. 194-200.

8.     Газенаур Н.В. и др. Зависимость показателя поглощения меди от длины волны // Аспирант. 2014. № 5. С. 89-93.

9.     Звеков А.А. и др. Расчет оптических свойств композитов пентаэритрит тетранитрат — наночастицы кобальта // Журнал прикладной спектроскопии. 2015. Т. 82. № 2. С. 215-222.

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

11. Золотарев В.М. и др. Оптические постоянные природных и технических сред. Л.: Химия, 1984. 216 с.

12. Зыков И.Ю. Критическая плотность энергии инициирования тэна с добавками наночастиц алюминия// Международное научное издание Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2013. Т. 1. № 1(8). С. 79-84.

13. Зыков И.Ю. и др. Спектральная зависимость коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра в прозрачной матрице // Аспирант. 2014. № 5. С. 94- 97.

14. Каленский А.В. и др. Оптические характеристики наночастиц никеля в прозрачных матрицах // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 11-1(43). С. 5-13.

15. Каленский А.В. и др. Расчет коэффициентов эффективности поглощения наночастиц алюминия в прозрачных средах // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2015. № 1. С. 15-19.

16. Кригер В.Г. и др. Процессы теплопереноса при лазерном разогреве включений в инертной матрице // Теплофизика и аэромеханика. 2013. Т.20. № 3. С.375-382.

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