Введение к работе
А?!225ьность_теші_ диссертации.
Современная фотоакустика, основанная на явлении возбуаденмя в поглощающей среде звуковых волн модулированным светом, представляет собой быстро прогрессирущую область знаний, зародившуюся на стыке нескольких научных направлений - оптики, акустики, теплофизики. Фотоакустический сигнал, формирующийся в области поглощения модулированного излучения, несет ценную информацию о характере взаимодействия света с веществом, об акустических, диссипативных, нелинейных, тегаюфизических параметрах исследуемой среды. Метод фотоакустической спектроскопии, наряду с традиционными, находит все возрастающее использование и при исследовании сред, обладающих различными видами гиротропии, анизотропии, дихроизма. Развитие фотоакустических методов исследований вещества проходило при доминирующей роли акустического подхода в решении задач преобразования типа свет-тепло-звук, при этом основное внимание уделялось рассмотрению различных механизмов возбуждения термоупругих волн, определению энергетических характеристик звуковых полей и диаграмм направленности оптоакустических источников, разработке методов управления их параметрами.
Однако при исследовакіта фотоакустического преобразования в средах с пространственной дисперсией необходимо иметь в виду, что поглощение электромагнитных волк гиротропныш кристаллами имеет характерную особенность, связанную с наличием линейного, циркулярного, в общем случае, эллиптического дихроизма, явления различного поглощения ортогонально^'поляризованных собственных волн. В оптической спектроскопии зависимость циркулярного дихроизма от самых незначительных структурных изменений среда явилось основой создания мощного метода исследования биологических и химических хиральных структур, позволяющих получать ценные свэ дения о тончайших деталях внутреннего строения срезы, симметрии ее электронных и энергетических состояний. Естественно, в фото-акустической спектроскопии гиротропных сред необходим корректный учет особенностей влияния оптических, диссипативных, интерференционных, нелинейных, дифракционных, фазовых, граничных
^* в поглощающих гиротропных кристаллах низших сигноний условия ортогональности собственных еолн может не выполняться [I].
и других эффектов на механизм формирования результирующего фото-акустического сигнала.
К началу работы над диссерацией был предложен ряд теоретических моделей описания фотоакустического эффекта в конденсированных средах и предприняты попытки их обобщения на естественно гиротропные среды лишь в некоторых частных случаях. Фотоакустические методы определения оптических параметров, в частности, циркулярного дихрг ;ма, были разработаны только для полубесконечной гиротропной среды, когда учет граничных эффектов и многолучевой интерференции не представляется возможным. В стороне от рассмотрения оставался широкий круг задач по исследованию фотоакустического преобразования в поглощающих естественно и вынужденно (эффект Фарадея) гиротропных средах, кристаллах, слоистых и жидкокристаллических структурах. Не были разработаны методы расчета фотоакустического отклика в линейных и нелинейных гиротропных пьезоэлектрических кристаллах и структурах. Отсутствовал унифицированный подход к решению задач фотоакустического преобразования в гиротропных средах при одновременном проявлении эффектов гирации, двупреломления, дихроизма, не были исследованы зависимости амплитуды и фазы фотоакустического сигнала от поляризационных и энергетических характеристик падающего излучения.
Корректное и полное решение отмеченных выше задач может быть достигнуто, как показано ниже, на основе использования ко-вариантных методов прямого тензорного исчисления, впервые предложенных Ф.И.Федоровым для описания взаимодействия, прохождения, отражения, поглощения электромагнитных и упругих волн с гирот-ропными кристаллическими средами.
Основные результаты работы получены в рамках Республиканской программы фундаментальных исследований "Разработка проблем генерации, взаимодействия с веществом и использование лазерного излучения" ("Лазер 3") по теме: "Исследование электромагнитных, фотоакустических и магнитооптических взаимодействий в анизотропных и периодически неоднородных средах ("Лазер 3.15")". Часть полученных результатов вошла в содержание научных отчетов по госбюджетным темам "Взаимодействие потоков излучения со средами различного физического строения и формирование лазерных пучков заданной геометрии" ("Оптика 2.27" * ГР 01.86.0012771) и "Фото-
термоакустическая спектроскопия гиротропных сред" (ГБЦМ 92-03, » ГР 01.92.0004641).
Некоторая часть результатов отражает совместные исследования, выполненные в рамках договоров о творческом сотрудничестве меаду кафедрой оптики Гомельского государственного университета им.Ф.Скорины и лабораторией акустических измерений Института фундаментальных проблем техники Польской Академии наук (г. Варшава), а также отделом фототермоакустической спектроскопии кафедри химической физики Карлоаа университета (г. Прага).
Отдельные результаты диссертации вошли в содержание спецкурса по фотоакустической спектроскогоп?, читаемого для студентов физического факультета (специализация "Квантовая электроника") Гомельского госуниверситвта им.Ф.Скорины.
Ш:!й_и_задади исследования
Целью работы явилось построение последовательной феноменологической теории фотоакустического преобразования в естественно гиротропных и магнитоактивных средах, в кристаллах и пространственно неоднородных слоистых структурах с произвольным сочетанием гиротропных, анизотропных и дахроичных свойств.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие основные задачи:
исследовать особенности диссипации энергии собственных мод электромагнитного поля в естественно гиротропных и магнитоактивных линейных и нелинейных средах, в гиротропных одноосных кристаллах и сверхрешетках, холестерических жидких кристаллах и ферроколлоидных растворах магнитных жидкостей;
развить методы расчета амплитудно-фазовых характеристик фотоакустического сигнала в гиротропных средах для случая его регистрации газо-микрофонным, пьезоэлектрическим, комбинированным и фотодефлекционным способами;
разработать вариант линейной и нелинейной пьезофотоакус-тической спектроскопии гиротропных кристаллов высших и средних сингоний;
изучить физические особенности фотоакустического преобразования в естественно гиротропных и магнитоактивных слоях, в гиротропных одноосных поглощающих кристаллах, в короткопериодшх гиротропных сверхрешетках, в холестерических жидких кристаллзх, в коллоидных растворах магнитных жидкостей;
- на основе решения задач фотоакустического преобразования предложить методы определения оптических, диссипативных, нелинейных параметров поглощающих гиротропных сред.
И5233я_32изна_полученных_результатов.
Впервые рассмотрены особенности формирования фотоакустического отклика в естественно гиротропной и магнитоактивной изотропной среде на с ювании точного решения граничных задач электродинамики. Выполнен учет многолучевой интерференции оптических и тепловых волн, получены зависимости амплитуды фотоакустического сигнала от параметра циркулярного дихроизма, энергетических и поляризационных характеристик падающего модулированного излучения. Исследование фотсакустического преобразования проведено для случаев газомикрофонных, пьезоэлектрического, фотодефлекционного и комбинированного методов регистрации результирующего сигнала. Показано, что при встречном взаимодействии световых волн в гиротропной среде, помещенной в магнитное поле, имеет место явление резкого возрастания величины фотоакустического сигнала. Предсказан эффект полного или частичного подавления фотоакусти-. ческого отклика при изменении интенсивности одного из встречно-взаимодействующих пучков. Предложен метод управления амплитудно-фазовыми характеристиками результирующего отклика, основанный на возможности воздействия внешним магнитным полем на интерференционное распределение диссипации энергии взаимодействующих собственных мод.
Развита теория термооптического возбуждения звука в гиротропных линейных и нелинейных пьезоэлектрических кристаллах различных классов симметрии. Выражения, полученные для разности потенциалов, возникающей в пьезоэлектрических образцах, проанализированы при различных граничных условиях: свободных, зажатых и попеременно нагруженных границах кристалла. В области килогер-цевых и мегагерцевых частот модуляции возбуждающего излучения обнаружены резонансные явления, которые могут быть использованы для повышения разрешащей способности метода пьезофотоакустиче-ской спектроскопии.
Впервые выполнено теоретическое исследование фотозкустичес-кого эффекта в поглощающих одноосных гиротропных кристаллах при учете явления многолучевой интерференции и произвольном сочетании анизотропных, гиротропных и диссипативных свойств. Определе-
ны условия максимального проявления интерференционных особенностей на вид фотоакустических спектров, найдены оптимизирующие соотношения для определения действительной и мнимой части параметров гирации из фотоакустических измерений. Показано, что использование метода поляризационной модуляции позволяет по экспериментально измеренным амплитудным и фазовым характеристикам фотоакустического сигнала для линейной и циркулярной поляризации падающего света полностью и однозначно решить задачу по определению параметров поглощения, линейного и циркулярного дихроизма одноосных гиротропных кристаллов.
Изучено фотоакустическое преобразование в короткопериодлых сверхрешетках, образованных естественно гиротрошшми кубическими кристаллами. Показано, что зависимость амплитуды фотоакустического сигнала от параметра относительной толщины компонентов сверхрвшетки определяется конкурирующим влиянием процессов диссипации световой энергии и последующего теплопереноса. Отмечено, что в рассматриваемом длинноволновом приближении диссипатиБные свойства гиротропных сверхрешеток, включая дихроичные, могут не быть промежуточными между аналогичными свойствами компонентов сверхрешетки. Из полученных аналитических и графических зависимостей следует, что вид фотоакустических спектров гиротропных сверхрешеток весьма существенно зависит от эффективных параметров сверхрешеток, характера проявления оптической интерференции, параметров циркулярного дихроизма и состояния поляризации падающего света.
Построена теория фотоакустического преобразования в поглощающих холестерических жидких кристаллах для оптического излучения, частотный диапазон которого совпадает с областью брэггов-ского отражения или находится вблизи ее окрестности. Обнаружено ассиметричнов возрастание амплитуда фотоакустического сигнала с уменьшением частоты падающего света, связанное с ростом диссипации энергии на краю области Брэгга, где вектор напряженности-собственных мод электромагнитного поля становится преимущественно поляризованным вдоль оси осциллятора поглощения. Последующий учет влияния температурных градиентов на пространственную структуру холестерических жидких кристаллов показал, что происходит изменение частотного интервала области Брэгга и в центре области возникает максимум амплитуда фотоакустического сигнала. На положение максимума оказывает конкурирующее влияние два процесса: с
одной стороны, возрастание амплитуда фотоакустического сигнала, определяемое взаимной ориентацией электрического вектора и оси осциллятора поглощения, а с другой - уменьшение величины диссипации энергии, обусловленное температурной расстройкой условий брэгговского отражения.
На основании решения задачи о генерации второй и еысших гармоник в приблизк ии заданного поля развита теория фотоакустического преобразования в нелинейных естественно или вынужденно (эффект Фарадея) .гиротропных кубических и одноосных кристаллах. Исследована термооптическая генерация звуковых волн в нелинейных кристаллах с центросимметричной парамагнитной фазой. Показана возможность определения параметра магнитного циркулярного дихроизма на частоте второй гармоники и точки магнитного фазового перехода центросимметричных магнетиков фотоэкустическим методом. Развит метод лазерной фотодефлекционной спектроскопии для исследования дассипзгивных свойств коллоидных растворов малых частиц ферромагнетиков при трансверсальной геометрии взаимодействия. Рассмотрены два вида временной модуляции лазерного источника - гармоническая и импульсная. Для коллоидного раствора магнетита Fe^O. исследовано поведение скорости диссипации энергии светового пучка в зависимости от элиптичности формы феррочастиц и величины внешнего магнитного поля. Рассчитаны углы дефлекции, величина которых проанализирована как функция пространственно нормированной координаты, частоты амплитудной и поляризационной модуляции возбуждающего излучения. Показана возможность определения величины относительного линейного дихроизма магнитной жидкости фотодефлекционным методом.
Исследован механизм возникновения фотодефлекционного сигнала в поглощающей гиротропной среде в условиях туннельной интерференции встречных световых волн. Определена диссипация энергии, величина которой зависит от эллиптичностей взаимодейтвующих волн, разности начальных фаз, энергетических характеристик еолн, диссипативных свойств гиротропной среды. Обнаружено явление частичного подавления фотодефлекционного сигнала при изменении интенсивности одной из встречно взаимодействующих световых волн.
ШкТИЗё2кая_значость_пдл^енжх_результатов.
Практическая значимость полученных результатов состоит в
том, что развитый феноменологический подход к описанию фотоакустического преобразования дает теоретическую основу для систематического исследования термооптической генерации звуковых волн' в естественно гиротропных и магнитоактивных средах, в гиротропных кристаллах и пространственно неоднородных структурах с произвольным сочетанием анизотропных, гиротропных и дихроичных свойств.. Перспективно использование полученных результатов в фотоакустических экспериментах на биологических и игральных структурах, химических соединениях и живых тканях, проявляющих пространственную асимметрию. Часть полученных результатов может быть полезна в экспериментальных измерениях оптических, диссипатив-ных, нелинейных параметров гиротропных сред методами фотоакустической и фотодефлекционной спектроскопии. Результаты исследования фотоакустического преобразования при встречно-лучевом взаимодействии световых волн могут быть использованы для разработки устройств эффективного управления амплитудно-фазовыми характеристиками фотоакустического сигнала, а также для повышения разрешающей способности метода фотоакустической спектроскопии.
Экономическая значимость работы связана с возможностью использования полученных результатов для участия в научно-исследовательских работах, проводимых в рамках Европейски и Международных проектов и программ, финансируемых в валюте. Часть полученых результатов представлена в совместный с польскими коллегами проект по исследованию свойств авиационных и технических масел, магнитных жидкостей методами фотозкустической спектроскопии. Результаты исследования фотоакустического преобразования в естественно гиротропных и магнитоактивных средах и структурах, сверхрешетках, холестерических жидких кристаллах, магнитных жидкостях могут представлять коммерческий интерес при разработке лазерных фотоакустических приборов, дихрометров, дефлекторов, спектрополяриметров и т.д.
051?овние_полдже|Щ_дассертадотж_вшосише_на_38щиті.
- феноменологическое описание фотоакустического преобразо
вания в естественно гиротропных и магнитоактивных средах, осно
ванное на корректном решении граничных задач электродинамики;
- построение теории пьезофотоакустической спектроскопии
линейных и нелинейных гиротропных кристаллов высших и средних сингоний;
закономерности влияния гиротропии и дихроизма на вид амплитудно-фазовых характеристик в одноосных гиротропных кристаллических средах, в кристаллах с холестерической структурой анизотропии, в короткопериодных сверхрешетках, состоящих из гиротропных кубических кристаллов;
развитие мр лца лазерной фотодефлекционной спектроскопии для исследования оптических и диссипативных свойств гиротропных сред и ферроколлоидных растворов магнитных жидкостей;
способ управления величиной и фазой фотоакустического и фотодефлекционного сигналов при встречном взаимодействии световых волн в-гиротропных средах;
развитие теории фото-акустического преобразования в нелинейных гиротропных кристаллах, 8 также в нелинейных кристаллах в центросимметричной парамагнитной фазе;
разработка способов определения параметров естественного и магнитного циркулярного дихроизма, мнимой части параметра нелинейной восприимчивости, параметра невзаимности магнитоактивной среды, параметра линейного дихроизма магнитной жидкости методами фотоакустической и фотодефлекционной спектроскопии.
ФПФУЗ_М8В_9И2Кт.ля.
