Введение к работе
Оптоакустика - область научных знаний, охватывающая эффекты возбуждения звука модулированным светом. Распространяющийся из области поглощения света акустический импульс - одна из основних характеристик процесса взаимодействия лазерного излучения с веществом. Оптоакустический (ОА) эффект, открытый А.Беллом в 1881 г.. был вскоре надолго забыт. Новый этап в исследовании как самого оптоакустического эффекта, так и воз-можпостей его применения для анализа конденсированных сред начался с появлением лазеров в 1950-х годах. Современная оптоакустика - быстро развивающаяся область научных знаний, привлекающая большое число специалистов во всем мире.
Актуалъность.работы определяется двумя обстоятельствами.
Во-первых, быстро развиваются методы оптоакустической диагностики, использующие в качестве информационного параметра звуковой отклик исследуемого образца. Таким образом, возникает необходимость в изучении сеойств импульсного звукового отклика в подвергнутых лазерному облучению реальных нидких средах: суспензиях, газонасыщенных смесях, коллоидных растворах, биологических пробах, пробах природных вод, приповерхностном слое морской среды. Обнаруиено, что наблюдаемые в этих средах оптоакустические эффекты выходят за рамки основополагающих моделей, развитых в 60-70-е годы для идеальных сред п простых конфигураций области преобразования.
Во-вторых, очевиден интерес к новым источникам мощного звука с нетрадиционными свойствами. Такой источник может быть создан при фокусировке лазерного излучения в жидкости (так называемый оптоакустический источник, ОАИ). Развитие лазерной техники высокой плотности энергии делает реальным освоение оптоакустического источника для нужд технологии, медицины, зондирования морской среды. Оптоакустика высокой плотности энергии характеризуется сочетанием вкладов в сигнал, вносимых механизмами различной природы. Закономерности совместного проявления вкладов изучены недостаточно. Еце менее изучена
картина опгоакуотнческого преобразовенкя под действием интенсивных лазерных импульсов в реальных природных нидких средах. Описание свойств такого источника и его оптимизация позволили бы найти ему достойное место в ряду узка освоенных необратимых звуковых источников: электроразрядного, взрывного, гидравлического.
Ц5й!2_252 являлось теоретическое и экспериментальное исследование возбуждения звуковых иї,шульсоБ при мощном лазерном облучении природных шдких сред.
Научная новизна определяется следующими положениями, выносимыми на защиту:
-
Выявлены и изучены специфические особенности лазерной термоошпгаеской генерации (т.е. в отсутствие фазовых превращений) импульсов в реальных жидкостях: неоднородных растворах, суспензиях, жидкостях с пузырьками газа. Автором выполнено систематическое теоретическое и экспериментальное исследования звукового поля, возбуждаемого в условиях неоднородного тепловыделения, в условиях тепловой нелинейности, а также в двухфазных и шкронеоднородных жидкостях. Получена модель, позволяющая интерпретировать результаты многочисленных экспериментальных наблюдений ОА преобразования в воде при ьемпера-гуре ее максимальной плотности.
-
Теоретически и- экспериментально исследованы свойства оптоакустического источника, реализуемого в условиях большой плотности энерговыделения в снльнопоглощащей жидкости. Показано, что излучение такого источника представляет совместное действие термооптического, испарительного и кавитационного вкладов. Для описания совместного действия вкладов введено понятие комбинированного механизма оптической генерации звука. Полученные результаты составляют основу для оптимизации мощных оптоакускгческих источников для задач гидроакустики и исследования морской среды.
3. Исследован комбинировавши механизм генерации звука
при облучении слабопоглощащих жидких сред. Этот механизм
характерен для плотностей энерговыделения, существенно мень
ших, чем необходимо для лазерного пробоя. Исследованы его
особенности: совместный ксяод как событий вскипания жидкости, прилэгащей к частице из ансамбля извешаннкх частиц, так и сугубо термооптического отклика.
-
Изучена проблема показателей качества оптоакустической амплитудной диагностики слзбопоглощаклдах жидкостей. Предложена методика расчета, позволяющая определять аналитические характеристики метода при анализе малых концентраций приыесей и проводить сравнение с возможностями ближайших более традиционных аналогов, например, спектрофотометрии.
-
Предложена концепция лазерной динамической оптоакусти-ческой (ЛДОА) диагностики, объединяющая методы анализа сред, базирующиеся на оптоакустическом эффекте и использующие спектрально-временные особенности звукового отклика в образце. Разработана методика и рассчитаны аналитические показатели ЛДОА диагностики слабоноглощазядих суспензий. Методика реализована в эксперименте по диагностике суспензий биомедицинско-го характера.
-
Впервые систематически исследован эффект дистанционной лазерной генерации широкополосного гидроакустического сигнала в морской среде. Виявлена особенности комбинированного ОАИ, возбуждаемого при облучении морской среды мощным лазерным импульсом инфракрасного диапазона. Проведено модельное и натурное экспериментальное исследование поля источника в условиях поверхностного волнения и газонасвденного приповерхностного слоя. Исследованы особенности распространения сигнала, связанные с пршщшшальЕО приповерхностным расположением опто аку с тиче ского источника.
-
Показана щлшенимость оптоакустического источника для проведения океанографических экспериментов: диагностики состояния морской поверхности и исследования распространения и рассеяния широкополосного импульса в морской среде и на ее границах.
Научная достоверность результатов диссертации обусловлена строгой постановкой задач и методов их решения, тщательностью подготовки и проведения экспериментов, удовлетворительным соответствием большого объема экспериментальных и расчетных
данных.
Практическся.гвнатюсть работы состоит в том, что полученные результаты характеризуют оптоакустичоские взаимодействия в реальных кидких средах и практически важных ситуациях создания звуковых ползи и диагностики образцов. Результаты работы обеспечивают основу для создания мощных оптоакустических источников и управления их параметрами, а такте оптимизации устройств оптоакустической диагностики з интересах экологии и медицины.
Личный вклад авторе и апробация. В диссертацию включены результаты исследований, проведенных автором в І98І-І993 гг в Акустическом институте имени академика Н.Н.Андреева. К началу исследований.уже были известны простые модели термооптической генерации звука в идеальных средах, имелись общие представления о смене механизмов оптоакустического преобразования с ростом лазерного энерговклада, были получены результаты амплитудной оптоакустической диагностики разбавленных растворов, были известны единичные демонстрационные эксперименты по оп-тогидроакустике. Автором поставлены задачи научных исследований, предложены пути их решения, разработаны методики экспериментов. Все теоретические и экспериментальные исследования, включенные в диссертацию, выполнены лично автором и под его непосредственным руководством.
Материалы диссертации докладывались на семинарах Акустического института, Института океанологии, Всероссиийского НИИ медицинской техники, Центра по технологическим лазерам, на сессиях Объединенного научного совета РАН по проблеме "Акустика", на v и vi Всесоюзных совещаниях по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1981; Паланга, І9В4), на хі Мевдународной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ереван, 1982), на ш и iv Всесоюзных семинарах по физике акустогидродинамических явлений и оптоакустике (Ташкент, 1982; Ашхабад, 1985), на х и xi Всесоюзных акустических конференциях (Москва, 1983, 1991), на Всесоюзной конференции "Океанотехника-85" (Ленинград, 1985), на xi Международном симпозиуме по нелинейной акустике (Ново-
?
сибирск, 1987), на v.vii и viii Мэядународашс кокфэракщшх по фогоакустике и йототепловкм явлениям (Гойдэльберг, ФРГ, 1937; Дурверт, Нидерланды, І99Г, Пузнт-а-Пнтр, Франция, 1994), на хш и xiv Международных акустических конгрессах (Белград, Югославия, 1989; Пекин, Китай, 1992), на иг Французской акустической конфзренщш (Тулуза, 1994) и опубликованы в 36 печатных публикациях в отечественных и зарубекннх изданиях.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем работы составляет 257 страниц, в том числе 3 таблицы, 45 рисунков и библиография из 231 наименования, включая 36 авторских публикация.
