CC BY
73
СОВРЕМЕННЫЕ БАЗЫ ДАННЫХ ПО ОПТИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ МАТЕРИАЛОВ И ЗАДАЧИ ИХ ДАЛЬНЕЙШЕГО
РАЗВИТИЯ А.М. Ефимов
Наличие существенных недостатков у традиционных печатных источников справочной информации является сейчас общепризнанным (см., например, [1]). К числу таких недостатков относятся, прежде всего, их неизбежно ограниченный объем, отсутствие возможности оперативного обновления содержащейся в них информации, а также трудоемкость и неэффективность поиска требуемых данных. В связи с этим печатные источники справочной информации начинают рассматриваться за рубежом как анахронизм. Электронные базы данных обеспечивают пользователю гораздо более быстрый, удобный и эффективный поиск необходимой информации с гарантированной полнотой просмотра. Кроме того, разработчиками регулярно осуществляется оперативное обновление информации, содержащейся в базах данных.
В настоящее время наиболее полная информация об оптических свойствах материалов может быть почерпнута из трех имеющихся в продаже электронных баз данных; все они разработаны российскими сотрудниками ОАО «Термэкс».
Исторически первой из них явилась база данных информационной системы SciGlass, подробно описываемая в одном из сообщений [2]. Она не является специализированной по оптическим свойствам стекол: в ней содержатся сведения о весьма широком наборе свойств (в первую очередь физико-химических). Из оптических свойств в базе данных SciGlass приводятся показатель преломления nd , средняя дисперсия nF - nC и/или коэффициент дисперсии vd (число Аббе), экспериментальные спектры пропускания или поглощения в видимом и ближнем ИК диапазонах, а также значения оптического коэффициента напряжений.
Вслед за нею была разработана база данных Spectral Atlas, которая объединила информацию об ИК спектрах пропускания и спектрах комбинационного рассеяния неорганических и органических твердых тел, включая минералы, а также некоторых жидкостей и газов. В качестве научного консультанта к разработке этой базы данных привлекался автор настоящего сообщения.
Эта база данных содержит сведения о спектрах 1078 соединений, заимствованные из нескольких литературных источников; основным из них является четырехтомный справочник [3]. Представленные в ней ИК спектры пропускания твердых тел получены с использованием либо эмульсий в двух специальных жидкостях (торговые марки Nujol и Fluorolube) для диапазонов волновых чисел 45-1333 см-1 и 1333-3800 см-1 соответственно, либо порошков, запрессованных в таблетки KBr.
База данных Spectral Atlas предоставляет пользователям недоступные ранее возможности различных манипуляций со спектрами. Наиболее важной из них является импорт экспериментального спектра, полученного пользователем, и поиск аналогов этого спектра с помощью программных средств базы данных. Также обеспечиваются возможности:
• представления спектров в произвольно выбираемых пользователем единицах (для оси абсцисс - в волновых числах или длинах волн и для оси ординат ИК спектров - в единицах коэффициента пропускания или оптической плотности);
• изменения масштаба изображения для любого интересующего участка спектра с помощью мыши;
• определения численных значений частот и относительных интенсивностей полос в спектре и экспорта полученных результатов в виде таблицы;
• представления серии сравниваемых спектров на одном графике.
Пример представления в базе данных Spectral Atlas параметров полос поглоще-
ния в ИК спектре карбоната кальция дан в табл. 1.
№ Wavenumber Intensity Vibr. mode
1 424.6 0.31
2 705.6143 0.17 V4 (E')
3 737.8013 0.09 V4 (E')
4 846.6514 0.25 V2 (A"2)
5 867.7192 1.38 V2 (A" 2)
6 1077.279 0.08 V1 (A'1)
7 1449.4 1.52 V3 (E')
8 1601.162 0.12
9 1781.621 0.05
Таблица 1. Пример представления параметров полос поглощения в ИК спектре карбоната кальция (в форме ватерита) в базе данных Spectral Atlas
Информация о возможности приобретения базы данных Spectral Atlas может быть получена у О.В. Мазурина (mazurin@itcwin.com).
Затем была разработана и в 1998-1999 гг. выпущена в продажу в США база данных Handbook of Optical Constants, которая представляет собой электронную версию известного 5-томного справочника [4]. В качестве научных консультантов к разработке этой базы данных привлекались зав. кафедрой физической оптики и спектроскопии СПбГУ ИТМО д. ф.-м. н. В.М. Золотарев и автор настоящего сообщения.
Л, ^m «0 Ref. no. К Ref. no. «e Ref. no.
0.4358 2.7305 [5] - 2.7824 [5]
0.4428 - 1.55E-005 [4] -
0.4592 - 1.46E-005 -
0.467 2.7074 [6] - 2.7553 [6]
0.4769 - 1.37E-005 -
0.4959 2.684 [7] 1.18E-005 -
0.498 2.687 [6] - 2.7331
0.515 2.6789 - 2.7236
0.5461 2.6631 [5] - 2.7064 [5]
0.568 2.6557 [6] - 2.6979 [6]
0.5781 2.6511 [5] - 2.6933 [5]
0.589 2.6488 [6] - 2.6911 [6]
0.5895 2.6475 [5] - 2.6889 [5]
0.616 2.6411 [6] - 2.682 [6]
0.6199 2.634 [7] - -
0.6563 2.6296 [5] - 2.6696 [5]
0.691 2.6243 [6] - 2.6639 [6]
0.8266 2.598 [7] - -
1.248 2.573 - -
2.0 2.572 [8] 0.000398 [8] -
Таблица 2. Пример представления оптических постоянных карбида кремния для обыкновенного и необыкновенного лучей в базе данных Handbook of Optical Constants (приведена часть таблицы, соответствующая видимому и ближнему ИК диапазонам).
Основная часть этой базы данных соответствует первым трем томам исходного справочника, которые были изданы Б.Б. РаНк с соавторами в период до 1997 г. под об-
щим заглавием Handbook of Optical Constants of Solids, и содержит сведения об оптических постоянных в широких диапазонах частот для 143 диэлектриков, полупроводников и металлов, представляющих наибольший прикладной и научный интерес.
Как видно из табл. 2, пользователю предлагаются массивы данных, которые сочетают численные значения оптических постоянных, заимствованные из различных опубликованных источников.
Представленные в базе данных Handbook of Optical Constants численные значения оптических постоянных дополнены описаниями основных понятий и терминов, принятых в данной области науки, а также сведениями о размерах элементарной ячейки, классе симметрии и пространственной группе каждого из кристаллов, числе колебательных оптических мод и значениях их поперечных и продольных частот, и т. п.
Часть базы, соответствующая четвертому тому, Index to Handbook of Optical Constants of Solids, суммирует всю собранную библиографию.
Часть базы, соответствующая изданному G. Ghosh пятому тому, Handbook of Thermo-Optic Coefficients of Optical Materials with Applications, содержит сведения о частотной и температурной зависимостях показателя преломления 70 кристаллов и ряда промышленных стекол в областях их прозрачности при длинах волн от 200 нм до 50 мкм. Даются также значения параметров интерполяционных формул типа Зелльмейера и соответствующих формул для термооптических коэффициентов.
Информация о возможности приобретения базы данных Handbook of Optical Constants может быть получена у О.В. Мазурина (mazurin@itcwin.com).
Однако каждая из трех вышеупомянутых информационных систем специализирована для соответствующей (т. е. достаточно узкой) области знаний и поэтому с позиций решения широкого круга научных и прикладных задач обладает определенными недостатками:
• ни одна из этих информационных систем не охватывает достаточно широкий круг кристаллических и стеклообразных материалов одновременно: база данных SciGlass посвящена только стеклам, а базы данных Spectral Atlas и Handbook of Optical Constants - преимущественно кристаллам;
• в базе данных SciGlass полностью отсутствуют сведения об оптических свойствах любых стекол в областях сильного поглощения и об оптических характеристиках промышленных стекол российского и зарубежных каталогов, для которых в литературе представлены лишь их марки, но не химические составы;
• база данных Spectral Atlas не содержит сведений об оптических постоянных и включает лишь экспериментальные спектры качественного характера, пригодные для целей идентификации соединения, но не для количественных расчетов;
• база данных Handbook of Optical Constants включает слишком ограниченный круг объектов, не содержит никакой информации о материалах и средах, производимых российской промышленностью, а также не охватывает результаты, представленные в российских источниках [5] и в более поздних обзорах [6].
По указанным причинам представляется перспективным создание отечественной информационной системы по оптическим свойствам стекол, кристаллов и оптических покрытий в широком диапазоне длин волн, которая могла бы обобщить и представить в удобной для использования форме:
• информацию, аналогичную представленной в первой и третьей из перечисленных выше специализированных базах данных;
• информацию из имеющегося отечественного справочника [5];
• информацию из монографии автора данного сообщения [6] по оптическим постоянным стекол;
• сведения о российских и зарубежных промышленных оптических материалах, рассе-
янные по различным и плохо согласующимся между собой каталогам; • новейшие данные из текущих публикаций в научных журналах.
Создание такой информационной системы могло бы внести существенный вклад в метрологическое обеспечение работ в областях вычислительной оптики, оптического материаловедения, оптического приборостроения, оптоинформатики и лазерной техники. В работу по созданию подобной информационной системы представляется уместным привлечь выпускников СПбГУ ИТМО, которые могли бы входить в связки типа «ведущий специалист по направлению науки - молодой специалист - квалифицированный программист».
Работа выполнена при частичной поддержке Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы», Проект № Б0120 - Направление3.11.- УНЦ «Оптика и научное приборостроение».
Литература
1. Мазурин О.В. О принципах разработки информационных систем по свойствам стекол и других материалов. // Физ. хим. стекла. 1997. Т. 23. С. 249-266.
2. Мазурин О.В., Леко В.К., Стрельцина М.В., Швайко-Швайковская Т.П. Современное состояние базы данных информационной системы SciGlass в области оптических характеристик стекол.
3. Handbook of Infrared and Raman Spectra of Inorganic Compounds and Organic Salts, eds. R.A. Nyquist, R.O. Kagel, C.L. Putzig, M.A. Leugers. V.1-4, Acad. Press, N-Y., etc.
4. Handbook of Optical Constants of Solids, eds. E.D. Palik & G. Ghosh, Acad. Press, V.1-5, N-Y., etc.
5. Золотарев В.Н., В Морозов.Н. и Смирновa Е.В. Оптические постоянные природных и промышленных сред. Л.: Химия, 1984.
6. Efimov A.M. Optical Constants of Inorganic Glasses, CRC Press, Boca Raton, N. Y., etc., 1995.
