Тепловая нелинейность в низкочастотной фотоакустической спектроскопии Туйчиев, Халимджон Шерматович

Введение к работе

Актуальность темы. Фотоакустической эффект (ФА) - явление генерации звука посредством световой волны был открыт 1880 году Александром Беллом, а потом надолго забыт. Второе открытие этого эффекта связано с именем Венгерова, который в 1936-ом году обнаружил это явление при исследовании ИК - спектров газов. Однако истинное возрождение этого эффекта и ее широкое применение в научных исследованиях и в производстве непосредственно связано с появлением лазеров[1-10], 50-летие которого было отмечено в 2010-о?л году. Линейная теория генерации ФА - сигнала при микрофонном методе регистрации сигнала показала [11], что амплитуда и фаза этого сигнала сложным образом зависят, как от теплофизических параметров газового слоя, образца и подложки, так и от оптических свойств образца, а также характеристик падающего луча. Было показано, что для предельных случаев существуют простые соотношения между амплитудой этого сигнала и теплофизнческими параметрами газового слоя, образца и подложки, а также оптическими свойствами образца. Экспериментальная реализация этих случаев позволяет определять такие величины, как коэффициенты теплопроводности, температуропроводности и тепловую активность образца или подложки и эта возможность многократно была реализована [1-Ю]. Существенным преимуществом метода ФА- спектроскопии является его сверхчувствительность к оптическому спектру системы, что позволяет измерять коэффициент поглощения слабых полос поглощения со значением р~ \Q'⁷a'j'', а

также оптический спектр таких «неудобных» систем, ках многослойные системы, порошки, золокна, различные биологические системы и.т.д. [3-8]. Однако при больших мощностях падающего луча происходит существенный нагрев образца [12]. Это приводит к тому, что в процессе физического эксперимента все макроскопические параметры системы становятся зависящими от температуры. Благодаря этой зависимости появляются дополнительные вклады в генерируемые акустические волны в среде и эти вклады принято называть вкладами от тепловой нелинейности (ТИ), чтобы отличать их от традиционной акустической нелинейности. Тогда интерпретация результатов эксперимента в рамках линейной теории становится некорректной [13] и возникает необходимость создания нелинейной теории ФА эффекта, учитывающей температурную зависимость макроскопических параметров среды. В этой связи в [14,15] было развито теоретическое описание процесса формирования нелинейного ФА-отклика непрозрачных сред для двухслойной модели ФА-камеры. Это было вызвано тем, что в [13] в качестве образца был использован эбонит-система с низким значением коэффициента теплопроводности и пренебрежимо малым нагревом подложки [16]. Следовательно, результаты [14,15] могут быть применены только тогда, когда исследуемые среды являются низкотеплопроводящими. Для таких систем, как металлы, полупроводники и кристаллы эти результаты должны быть обобщены с уче-

том ТН теплофизических параметров подложки. Это обстоятельство обусловливает актуальность данной работы.

Целью работы является теоретическое исследование особенностей формирования нелинейного ФА-отклика при газомикрофонной регистрации генерируемого сигнала, которое включает в себя следующие задачи:

1. исследование влияния температурной зависимости теплофизических параметров образца, подложки и газового слоя, а также оптических параметров непрозрачного образца на температурное поле в ФА-камере;

2. теоретическое рассмотрение особенностей формирования нелинейного ФА - отклика на основной и второй гармониках, генерируемого непрозрачными образцами, обусловленного температурной зависимостью оптических и теплофизических параметров образца, подложки и газового слоя;

3. построение теории нелинейного ФА-отклика (температурное поле, основная и вторая гармоника), обусловленного температурной зависимостью теплофизических характеристик газового слоя, образца и подложки для образцов с объемным поглощением;

4. исследование влияния температурной зависимости оптических параметров образца на температурное поле в ФА-камере, установление характеристик нелинейного ФА-сигнала, генерируемого образцами с объемным поглощением на основной и второй гармониках.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

5. получены аналитические выражения для температурного поля в ФА-камере с учетом температурной зависимости коэффициентов теплопроводности непрозрачного образца, газового слоя и подложки, а также по-глощательной способности образца и выполнен численный расчет для наиболее типичных случаев;

6. детально рассмотрены особенности формирования основной и второй гармоник нелинейного ФА-сигнала, обусловленного температурной зависимостью теплофизических параметров непрозрачного образца, газового слоя и подложки, а также поглощательной способности образца; показана возможность определения температурных коэффициентов макроскопических величин из результатов измерения амплитуд нелинейного составляющего ФА-сигнала;

7. предложена теория формирования нелинейного ФА-сигнала, генерируемого полупрозрачными образцами в буферный газ и обусловленного температурной зависимостью теплофизических параметров образца, буферного газа и подложки;

8. теоретически исследован вклад температурной зависимости поглощательной способности образцов с объемным поглощением в температурное поле, характеристики нелинейного ФА-сигнала при газомикрофонной регистрации и получены конкретные выражения для этих величин, а также проведен их анализ для предельных случаев. Практическая ценность. Полученные выражения для температурного

поля в ФА-камере с учетом температурной зависимости теплофизических па-

раметров газового слоя, образца и подложки, а также оптических параметров образца, может служить основанием для оценки температурного поля различных образцов в ФА-экспериментах. Предложенная теория нелинейного ФА-отклика, генерируемого на основной частоте, позволяет, исключить из измеряемой величины эффективной амплитуды сигнала нелинейную часть, а затем из оставшейся части определить теплофизические и оптические характеристики среды. Теория второй гармоники ФА-сигнала, разработанная для различных случаев может служить основанием для постановки целенаправленного и систематического эксперимента с целью определения, не только теплофизических и оптических параметров среды, но и их термических коэффициентов. Положения, выносимые на защиту:

полученные выражения для температурного поля в ФА-камере с учетом температурной зависимости макроскопических величин для случаев, когда образец обладает поверхностным или объемным поглощением, а также результаты численных расчетов;

полученные выражения, описывающие характеристики нелинейного ФА- сигнала, как на основной, так и на второй гармониках, обусловленного температурной зависимостью оптических параметров непрозрачного образца и теплофизическими характеристиками образца, газового слоя и подложки;

выражения для амплитуды генерируемого нелинейного ФА-сигнала на основной и второй гармониках образцами с объемным поглощением и связанного с температурной зависимостью теплофизических характеристик образца, газового слоя и подложки;

полученные выражения, определяющие вклад температурной зависимости оптических параметров образца с объемным поглощением в параметры нелинейного ФА-сигнала, возбуждаемого на основной и второй гармониках.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью нелинейных уравнений теплопроводности для всех слоев в ФА - камеры, соответствующих граничным условиям и надежностью использованных методов их решения.

Апробация работы: основные результаты работы докладывались на: международных конференциях по «Физике конденсированного состояния и экологических систем» ( Душанбе, ФТИ АН РТ, 2004, 2006 гг); . IX Межд. школы-семинара по люминесценции и лазерной физике(ЛЛ-2004) ( Иркутск, Сентябрь, 2004); Международной конф., посвященной 1025-летию Абу Али Ибни Сина и 100-летию специачьной теории относительности А.Эйнштейна (Таджикистан, Кургантюбе, 2005); международной конференции «Современные проблемы физики» (к 100-летию академика С. Умарова, октябрь, 2008, Душанбе); 6-й международной научной конференции «Хаос и Структуры в Нелинейных Системах. Теория и Эксперимент» (Астана, 3-4 октября, 2008), 14-15*^s International conferences of photoacoustic and photothermal phenomena (ICPPP) (Cairo, Egypt, January,

2007; Leuven, Belgium, 19-23 July, 2009), международной конференции « Современные проблемы физики» (ФТИ АН PT, 2010).

Личный вклад соискателя. Автор принимал самое непосредственное участие в формулировке математических моделей сформулированных задач и их решении. Анализ полученных выражений для предельных случаев, а также все численные расчеты проведены соискателем.

Публикации. По результатам работы опубликовано 10 статей и 8 тезисов докладов, в том числе 6- в рецензируемых журналах из Перечня ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Содержание работы изложено на 140 страницах, включая 25 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 102 наименований.