CC BY
146
БАЗА ДАННЫХ «ОПТИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД» И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ ПО НАПРАВЛЕНИЮ «ОПТОТЕХНИКА»
Г.М. Мансуров, В.М. Золотарев
Информация по фундаментальным оптическим характеристикам оптических материалов и покрытий широко представлена в периодической печати и справочных изданиях [1-10]. Вместе с тем литература по электронным базам данных оптических констант весьма ограничена и, как правило, включает относительно узкий круг традиционных объектов, что связано с большими трудозатратами при получении данных, надежных в метрологическом отношении.
Получившие развитие в последние годы методы спектроскопии НПВО позволили при помощи термопластичных оптических стекол существенно улучшить метрологию измерений оптических постоянных массивных твердых тел [11] и порошков [12, 13]. Эти преимущества методов НПВО, как известно, реализуются для умеренных значений показателя поглощения 0,01 < к < 0,1, которые являются типичными для фундаментальных ИК-полос поглощения объектов органического происхождения. Систематические измерения оптических констант (п = п - ¡к) ряда оптических материалов (кристаллы, стекла), а также объектов экологического контроля, активно проводившиеся в последние годы в ряде научных центров [3-10, 14] послужили основой для формирования электронной базы данных. База данных является ядром программы и позволяет сформировать на основе определенной концепции пакет прикладных программ (111111), обеспечивающий управление базой данных и проведение на ее основе расчетов спектральных и оптико-физических характеристик различных объектов и систем.
Рис.1 Диалоговое окно программы База данных (активизируется клавишей F10). Дан пример заполнения окна при экспорте из базы массива чисел оптических постоянных металла (категория), материал - Золото напыленное, формат экспортируемых данных [А(мкм),п,к].
База данных PHYS-OPT сформирована работает со всеми совместимыми ПЭВМ типа PC AT. Основное назначение системы - управление файлами базы данных с целью получения информации о спектральных и оптических зависимостях природных и технических объектов в спектральном интервале 0,1-100 мкм. В качестве таких характеристик могут выступать как прямые сведения о свойствах объектов, хранящиеся в базе данных, так и сведения, сформированные в результате расчетов, полученных
на основе обработки различных оптических моделей с параметрами, задаваемыми по усмотрению исследователя. Под прямыми сведениями подразумеваются собственно оптические константы базы данных, а также расчеты излучения, поглощения, пропускания, отражения и рассеяния [15-17]. Опыт использования системы управления базой данных PHYS-OPT, полученный при решении ряда разнообразных задач, позволяет утверждать, что разработанный пакет программного обеспечения обладает большими эвристическими возможностями, позволяя формировать и развивать у исследователя соответствующие прогностические качества.
3 И!1сг | Ь: уЦнск^Ди^тюН' Ьуз ор^11ЙА5Ь РииШОНг.! .иРТ\5С:ЛТ1Ё№и1С,1&Н] ■ШРШ
Файл Праека Ёкд С/раека 70%
0.113790 1.16^005 9. .589009 л
0.117390 1.166998 9. .568909
и.129890 1.1&Э99и 9. .566909
0.121100 1.13/900 9. .5720610
0.12/690 1 лаоиоз 9. .576909
0.139790 1 . 1 1Е00В 9. .57^009
П.1Я390П 1 -Й9Й ВВП 9. . 572000
П «7-11111 л №1шпа В 577ПП0
Рис. 2. Окно монитора для экспортированных исходных данных формата (Л [мкм], п, к)-металлическое серебро Ад^эИ .
Главные рабочие программы *.ЕХЕ
1ЛЬа8е_пк - База данных оптических постоянных материалов и веществ является ядром пакета прикладных программ и позволяет вводить числовые данные (режим импорта) из литературных источников в ручном и файловом режимах, а также производить экспорт массивов данных в виде файлов. Данные классифицированы по категориям материалов, см. рис. 1.
Прямые программы расчета оптических параметров 2. КБЛ2 - Обеспечивает расчет п, к методами классического дисперсионного анализа (КДА) [5] путем моделирования спектра набором осцилляторов.
В Ыв1ег - [£^\Диск_ДШт0ФЬу5_|у^ЩД5Е-РкС1ТЕСНМ0Ь.МК\5102Е.РНМ] \ „ ] Д (X]
Файл Правка Вид Справка 100 %
Многоосцилляторная модель по Лоренцу
Спектральный диапазон (1/см) ип1п Шаг по и Число точек
2ШО 6 200
Опорные данные иш пШ ЬО
4000 1.534927 □
Число осцилляторов 7
Параметры осцилляторов Частота Интенсивность Затухание
1220 .011 .15
1Ш80 .67 .0069
778 .10 .010
539 .006 .04
5Ш9 .05 .014
495 .66 .0090
364 .68 .01-1
Рис. 3 Диалоговое окно программы КйА2.ргт. Вверху слева направо дана минимальная (начальная) частота v=200см-1 выходных данных, шаг массива чисел (V [см-1], п,к) по частоте v=6см-1; число рассчитываемых точек массива данных. Ниже даны значения опорных данных: частота v=4000см-1, для которой известны значения п и к. Нижний блок чисел содержит литературные данные параметров для 7 осцилляторов кристаллического кварца (экстраординарный луч). 3. 11811 - Обеспечивает на основе рекуррентных формул Френеля [18] расчет отражения и пропускания многослойной системы для фиксированной длины волны X при переменном угле падения 0.
4. щ1о11 - Выполняет расчет спектров отражения и пропускания многослойных систем с известными параметрами слоев (п, к, ф при фиксированном угле падения света [18].
- E:V_FBBB~1\ltmo\PHYS_0~1\BASE PRG\TECHNOLNKlKDA2.EXE ЯЗВ
Пиогоосцилйнэрклн модель Лоренца Расчет показателей преломления <N> и поглощения (Ю
Файл параметров KDft,prrt<BX-®siiii? г Файл данных иМК.йа£<вых.Файл> (без расширения) Пример- Jida2,opl ? Ri02-e)fst]raordin,Si0Z-fi_
Рис. 4 Диалоговое окно программы KDA2.exe. В окне в качестве входного файла вставлен 8Ю2-ек81гаог^п.ргт - для кристаллического кварца(экстраординарный луч); выходной файл массива данных - SiO2-e.dat имеет формат (V [см-1], п,к).
^i:V_FBBe^\ltmoU>HYS-Op™ASE-PRG\MODEL. OPTMilFLECTWSLO 11. EXE ВВС
Расчет отражательной и проласкательной способностей
оптической системы
среда <00> - слой <П> - среда <Н+1>
Нд„изи<спектра: Й, N11 „ flKH. FAJ,. СМ-1 ? rn-1
Формирование FILE.DAT от исходных WNK.Dfti
Ко л и ч ест по слопв ( до 351 ) 7 1
ВВОД UNK.DAT и ном.сред <О0-внеин.среда, U1-пер вый слой>
например: К.ШТ, ШШШ1ШЗ
? Uak-3.dat,00
очИт„ 171 число
ВВОД HNK.DAT и поп.сред <ЕЭ-внеин.среда, 01-первый слой>
например. К.DDT, 000103
? Pnma-3.dat,01
очит. 171 число
ВВОД UNK.DAT н ноп.сред <В0-виеин.среда, 01-первый слой)
например: К.DAT, UUU1U3
? Au-3.dat,02
счит. 171 ЧИСЛО
ТОЛИИНА CJ10FEг пкп и номера слоев, напр; 1.00 „010305
Всего 1 слоев
? П,С11,01
не введены 0 слоев
Л< 1 >= П _ 0i 00Й0ГС nbn
УГОЛ ПЙД. В ГРД. Н? ?5_
Рис. 5 Диалоговое окно программы Nsloi1.exe. Дан пример заполнения окна при расчете системы: воздух-пленка-металл(файлы Vak-3.dat-PMMA.dat-Au.dat, фор-мат^,п,к]) из 1-го слоя-полиметилметакрилат(РММА^^.Толщина пленки 0.01 мкм,
угол падения света 750
5. plank - Рассчитывает полную и спектральную излучательную способность абсолютно черного тела (формула Планка) [15] и позволяет при помощи программы nsloil.exe и уравнения Кирхгофа для излучательной способности «серого» тела найти излучательную способность конкретного материала.
6. teormi - Позволяет рассчитывать на основе теории Ми [16] спектральные коэффициенты рассеяния (вперед и назад) и ослабления пучка света сферическими частицами диаметра D в прозрачной среде.
7. teormi_o - Программа в дополнении к предыдущей (см. пункт 6) позволяет рассчитывать те же характеристики рассеяния и ослабления света для случая, когда сферическая частица окружена оболочкой толщиной Dj.
8. lorents - Эта программа позволяет вычислять значения оптических постоянных молекулярной смеси ряда веществ для разных объемных долей в приближении аддитивного сложения их химических свойств [15]. Такой подход к расчету оптических свойств бинарной системы хорошо себя оправдывает, например, при определении оптических параметров микропористых пленок, заполненных водой или парами газов [19, 20].
Цг 1 ¡Д|ДШДк1 ШЕЖШОЕ^ИШШШШЖ] В® ®
Файл Правка Вид Справка
И.1 1 'ад.Ш' ■ПЕ*?,^'
Рис. 6. Диалоговое окно программы 1еогт1.раг. Слева направо: - значение величины й=0.1мкм (диаметр рассеивающей частицы), показатель преломления среды, в которой находится рассеивающая частица(п =1, воздух), файл массива данных ^,п,к) вещества частицы-Ад^^ файл массива выходных данных RES2.dat
Й
6|г ■ ЮныуЩМЩ Ш
Файл фавка Ставка
3.5 0.51 1.3 'гейИ^' '
100%
Рис. 7. Диалоговое окно программы teormi_о.par. Слева направо:- значение величины й=0.5мкм (диаметр рассеивающей частицы); диаметр внешней оболочки й=0.51мкм, окружающий рассеивающую частицу; показатель преломления среды, в которой находится рассеивающая частица(п =1, воздух); файл данных ^,п,к) вещества частицы- res22.dat; файл данных ^,п,к) вещества оболочки- гев11.dat; файл выходных данных RES.dat
НЕС
Е:\ РВВВ~1Што\РНГ$ОРГ\ВА$Е-РК(ЛЪУШИtS.NKULUKtNIS.tXt
ШЫК КОМПОНЕНТНА Я СИСТВ1А С Ь filel.dat С1-иомп), File2.dat (£-комп), н оеьемная деля 1-го компонента Ехашр!: 05,0 5
I* Н20,В20,Д20_Б0^ ,0.5
file3.dat (зых.)
Рис. 8. Диалоговое окно программы 1_оге^в.ехе. В окне для примера в качестве входных файлов ^,п,к] вставлены H2O.dat и D2O.dat - для жидкой обычной и тяжелой воды; выходной файл D20_50%.dat ; объемная доля D2O(в относит. ед.) в смеси Н20 и
D20.
Обратные программы расчета оптических параметров
10. п-ГБ-гр - Программа рассчитывает по формулам Френеля оптические параметры (п, к) массивного образца по экспериментально измеренным значениям коэффициентов отражения и Яр для фиксированного угла падения 0.
11. п-ГБр^ - Программа рассчитывает в приближении малого поглощения по формулам Абеля [21] оптические параметры (п, к, ё - толщина) тонкой пленки на подложке с известным показателем преломления.
12. К-К - Программа расчета оптических параметров п, к массивных образцов методом Крамерса-Кронига по экспериментально измеренному спектру коэффициента отражения Я вблизи нормали [22].
Основные вспомогательные программы *.ЕХЕ
13. еш-шкш - Обеспечивает конвертирование единиц электромагнитной шкалы длин волн из обратных волновых чисел [ст-1] в [ткт] в применении к 3-колопочным массивам данных (\-п-к).
Е:\ I 0BO Ullmo\PHYS О -1ШAS Е -Р RG\F 1L Ё, DАТ\Ш ЫКМ.ЕХЕ BED
Г|Ш)1сФпрмнро1>аии!:м; 1Щ/СН) - МКМ
Вйод: input. ЮАТ.„ output .ctat
Пример; пр1Ссш>„ opl<nkm>
? И102-е, К 102-е -mtin
Рис. 9. Диалоговое окно программы cm-mkm.exe. В окне в качестве входного файла ¡п-put.DAT вставлен SiO2-e.DAT- файл массива данных (п,к^ [см-1]) для кристаллического
кварца (экстраординарный луч)
14. cm-mkml - Аналогично п.13, однако конвертируются 4-колоночные файлы с массивами данных (v-n-k-R), которые формируются программой КБЛЗ.ехе.
15. chv(xy) - Программа преобразует 3-колоночные числовые файлы формата ASCII в графический формат для последующего вывода на монитор в виде графиков.
16. chv(xyz) - Аналогично п. 15, однако преобразуются 4-колоночные файлы, например, массивы типа (v-n-k-R) или (X-n-k-R).
17. spline - Важная общая программа согласования форматов входных файлов по шагу аргумента и параметров, а также по интервалу (начало и конец) задания этих величин. Программа хорошо работает для гладких функций, особенно эффективно ее применение для получения и согласования файлов массивов данных разных сред в области их прозрачности.
Lister - [Е;УаийкЛИт&\РНГ5-ОР"ПОД5Г-РИЬ\ЛО0Е1..ОР™ГГиСТЛ^РИМЕ.РЛР1
ОШВ
■Т-4МЛ I liter s ичл ''_пр 1
SPLIHE
Step Число точек TILE.inp
nln
95 В 95 В 5 95 В 5 95 В 5
17В 170
17в 17ft
PHHA.lsh цгк-1_ish ftu-1 ,Ы| UFlK l.iiH
riLC.OUl _ I l'p
pmna-3.dat Э ЙТВ-Э-tldt з
Mk-S.||JL 3
Рис. 10. Диалоговое окно программы Spline.par. Слева направо: - минимальное значение величины V = 950 см-1 (данных сплайна ^,п,к]); величина шага V = 5 см-1; число точек сплайна; наименования входных файлов (в приведенном примере 4); наименования выходных файлов; фактор, указывающий на число цифровых колонок-3, содержащихся в выходных файлах
■ С AU-3 - Блокнот Формат Вид Справка _ ■
1635,000000 2 730609 32. 249493 л
1690.000000 2 717977 32. 154926
1695.000000 2 705530 32. 060947
1700,000000 2 693267 31. 967552
1705.000000 2 6311S4 31, 374 731
1710.000000 2 669279 31, 732473
1715.000000 2 657549 31. 690792
1720.000000 2 64 5 991 31. 599661
Рис. 11 Окно монитора с выходными данными Au-3.DAT [v,n,k] после сплайна параметров, выполненных c помощью программы Spline.exe. Показан конец файла массива данных Au-3.DAT в режиме редакции (клавиша F4), слева внизу дано правильное положение курсора
18. graphica - Программа обработки и вывода на монитор графических файлов *.chv.
19. krview - Программа для хранения в памяти ЭВМ графиков, сформированных при помощи программы graphica.exe. Позволяет хранить в памяти графические изображения результатов типовых расчетов и быстро выводить их на монитор.
Рис.12 Блок схема РИУБ-ОРТ для расчетных работ
Моделирование оптических свойств объектов, сведения по которым отсутствуют в базе данных, удобно осуществлять па основе априорной информации при помощи метода КДА; программа KDA.par позволяет вводить более 20 осцилляторов. В частности, эти способы позволяют моделировать в линейном приближении изменение оптических свойств поверхностных слоев материалов в результате воздействия разных внешних физических (ВУФ облучение, температурный нагрев) и технологических факторов.
Блок-схема, поясняющая принцип работы и взаимосвязь разных модулей PHYS-OPT, представлена на рис.12. Важнейшим элементом схемы является модуль «Оптическая модель», который должен быть сформирован непосредственно пользователем под конкретную задачу [23, 24].
Отыскание оптических параметров элементарных слоев (блок «Синтез объекта»), из которых моделируется, например, градиентный поверхностный слой, осуществляется по определенным соотношениям (Лорентц-Лоренца, Максвелл-Гарнетта, Давида-Шоппера и др.) [15, 23, 24]. Блок «Программные модули» обеспечивает обращение к базе данных (блок БД PHYS-OPT), структура которой раскрыта в виде блока «Материалы», где перечислены категории материалов. Внутри категорий размещаются конкретные объекты.
Блок «Коррекция» включает исполнительные программы *.ЕХЕ, обеспечивающие возможность в линейном приближении учитывать тенденции в изменений значений п и к в результате внешних воздействий при условии, если их влияние может быть аналитически спрогнозировано.
Законченные результаты расчетов в виде числовых файлов выполненных
при помощи PHYS-ОРТ для последующего вывода на монитор, преобразуются в гра-
фические файлы *.еЬу, затем классифицируются и направляются в поддиректории, представленные в нижней части рис.12 (блок «Графические файлы»), откуда они могут быть выведены на дисплей или печать. В качестве примера на рис. 13 приведены спектры значений п и к благородных металлов (Аи, А§). На рис. 14 приведены расчетные кривые спектров коэффициентов отражения (Я) для 4 металлов.
it, к 6,0
3,0 -
/
У У
i(Aii)
20
410
X, им
800
Рис. 13. Спектры оптических постоянных золота и серебра, экспортированные из базы данных и представленные с помощью graphica.exe в виде графиков
550
им
Рис. 14.. Спектры отражения для 4 металлов, полученные с помощи Nsloi1.exe,
для угла падения 6 = 0°.
Представленный способ управления оптическими постоянными п, к из базы данных PHYS-OPT, которая запускается на ПЭВМ из среды Windows с помощью оболочки Norton Commander, весьма гибок, что делает его достаточно универсальным, позволяя интегрировать в эту систему другие универсальные программные продукты. Вместе с тем представляется перспективным создать специализированную среду на платформе Windows, которая бы учитывала специфику задач физической оптики.
Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы», Проект № Б0120 -Направление 3.12.-УНЦ «Оптика и научное приборостроение».
Литература
1. Billings B.H. Optics // In "American Institute of Physics Handbook"..3 ed., N.Y.: McGraw Hill,1972. P.2-313.
2. Weaver J.H., Krafka C., Lynch D.W., Koch E.E.// Physics Date. Optical Properties of Metals. Pt.1-2.. Karlsruhe: Fachinformationszenter, 1981. 314 p.
3. Оптические кристаллические материалы. / Под ред. Петровского Г.Т., Л.: НИТИОМ, 1991. 51 с.
4. Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных
и технических сред. Л.: Химия, 1984. 218 с.
5. Handbook of Optical Constant of Solids. Vol. 2, Ed. Palik E.D. Цшуег. of Maryland; College Park, 1991. 1120 p.
6. Handbook of Infrared Optical Materials / Ed. Klochek P. Dallas: Texas Instr. Inc., 1991. 624 p.
7. Handbook of Optical Constant of Solids // Ed. Palik E.D. Orlando: Acad. Press, 1985. 804 p.
8. Гавриленко В.И., Грехов A.M., Корбутяк Д.В., Литовченко В.Г. Оптические свойства полупроводников. Ктев: Наукова думка, 1987. 427 с.
9. Оптические свойства полупроводников. Полупроводниковые соединения АЗВ5. / Под ред. Уиллардсона Р., Вира А. М.: Мир, 1970. 488 с.
10. Аморфные полупроводники / Под ред. Бродски М. М: Мир, 1982. 419 с.
11. Золотарев В.М. Спектроскопия НПВО на термопластичных стеклах - неразру-шающий метод контроля твердых тел // Оптико-механич. промышленность. 1988. № 8. С. 50-60. (Sov. J. Opt^^ol., 55 (8), Aug. 1988).
12. Золотарев В. М., Мансуров Г.М. Использование термопластичной оптики в спектроскопии пропускания // Опт. и спектр. 1991. Т. 70. В. 5. С. 1011-1013.
13. Мансуров Г.М., Золотарев В.М., Ли Фату А.В., Дорожкин А.А. Спектроскопические исследования термомеханически обработанных графитов // Опт. и спектр. 1992. Т.73. В.1. С.137-139.
14. Золотарев В.М., Программное обеспечение базы данных «Оптические постоянные конденсированных сред». // Оптич. журнал. 1997. Т.64. №3. С.39-45.
15. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука,1970. 650 с.
16. Борен К, Хафен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 660 с.
17. Ивлев Л.С., Андреев С. Д. Оптические свойства атмосферных аэрозолей. Л.: ЛГУ, 1986. 359 с.
18. Кондратов В.Е. Оптика фотокатодов. М.: Наука,1976. 300 с.
19. Золотарев В.М., Первеев А.Ф. Спектроскопия МНПВО - высокочувствительный метод исследования адсорбированного состояния молекул // ДАН СССР. 1972. Т.204. № 4. С. 903-905.
20. Первеев А.Ф., Золотарев В.М., Егоров П.П., Муранова Г.А. Влияние влажности воздуха на спектральные характеристики узкополосных многослойных интерференционных светофильтров // Опт. и спектр. 1976. Т. 32. В. 3. С. 607-б11.
21. Кизель В.А. Отражение света. М.: Наука, 1973. 350с.
22. Довчий Я.О., Заморский М.К., Китык II.B. Техника компьютерного расчета оптических функций кристаллов по соотношениям Крамерса-Кронига с приложением программ на языке Фортран-lV. // Препринт. Физ-мех. ин-т им. Г.В.Карпенко. АН УССР. Киев, 1986.-39 с.
23. Розанов Н.Н., Золотарев В.М. Исследование методом НПВО градиентных характеристик субмикронных поверхностных слоев твердого тела // Опт. и спектр. 1980. Т. 49. В. 5. С. 925-932.
24. Розенберг Г.В. Оптика тонкослойных покрытий. М.: ГИФМЛ, 1958. 450 с.
