Введение к работе
Современіше фототермические методы, разработанные для исследования конденсированных сред, являются бесконтактными, неразрушающими и позволяют успешно решать широкий спектр научных и прикладных задач. Определение оптических, тепловых и акустических характеристик различных объектов, изучение кинегическігх и релаксационных процессов, микроскопия подповерхностных слоев, дефектоскопия и дистанционный контроль -вот далеко не полный перечень возможностей применения фототермической спектроскопии. А использование при исследованиях лазерных источников света позволяет совершить переход на качественно более высокий уровень измерения и существенно повысить чувствительность и разрешающую способность методов.
Высокая эффективность одного из наиболее распространенных фототермических методов - метода фотодефлекциошюй спектроскопии была продемонстрирована при определений-характеристик объектов, находящихся в различных агрегатных состояниях (как прозрачных, так и обладающих значительным поглощением), в широком спектральном диапазоне: от инфракрасной области до ультрафиолета [1,2]. Все чаще фотодефлекциониая спектроскопия находит применение при изучении диссипативных, тепловых и нелинейных свойств естественно гпротропных и магнитоактивных сред. При исследовании дихроичных гиротропных сред фотодефлекционным методом возможно измерение погаощателыюй способности образцов с точностью
„7 а і
«10 -НО см . Достоинством фотодефлекционной
спектроскопии является и то, что она обеспечивает практически
безынерционную регистрацию оптически возбуждаемых
температурных полей.
Современное развитие фототермической спектроскопии происходит на стыке нескольких областей физики и предполагает взаимно согласованное связанное решение оптической и теплофизической задач. Тем не менее, при рассмотрении процессов фототермического преобразовашш часто используются упрощенные модели, не учитывающие должным образом влияния оптических свойств исследуемых объектов. Но именно оптические свойства вещества, особенно естественная и индуцированная внешним магнитным полем гиротропия, сильнее всего реагируют даже на незначительные изменения во внутренней структуре кристаллов и молекул. Более того, как показывает анализ литературы по данной
теме, до недавнего времени при использовании метода фотодефлекционной спектроскопии для исследования различных, в том числе и гиротропных сред, не принимались во внимание ни граничные эффекты, ни многолучевая интерференция собственных волн внутри исследуемого образца. Провести анализ и оценить вклад отмеченных эффектов в процесс формирования фотодефлекционного сигнала представляется возможным при использовании прямых бескоординатных методов тензорного исчисления для решения граничных задач феноменологической электродинамики. Именно с этой точки зрения в диссертации рассматриваются процессы формирования фотодефлекционного сигнала в гиротропных и магнитоактивных средах.
Таким образом, изучение формирования фотодефлекционного отклика и построение адекватных теоретических моделей, учитывающих все физические процессы, происходящие в оптически активных,„средах под воздействием электромагнитного излучения, ~является весьма актуальной задачей. Ее решение позволит значительно повысить чувствительность и точность уже существующих методов и откроет новые возможности для применения фототермической спектроскопии.
ТЕМАМИ
Представленные в диссертации результаты исследования выполнены при поддержке «Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований», грант MP 94-16. Большая часть исследований диссертационной работы проведена в ходе выполнения госбюджетных тем ГБЦМ 92-03 «Фототермоакустическая спектроскопия гиротропных сред» (№ГР 01.92.0004641), ГБЦМ 94-18 «Импульсная фотоакустическая спектроскопия нелинейных кристаллов», ГБЦД 95-02 «Импульсное оптическое возбуждение звука в гиротропных кристаллических структурах», ГБЦД 95-08 «Лазерная фотоакустическая спектроскопия гиротропных кристаллических структур», ГБЦМ 96-28 «Разработка технологических основ формирования покрытий на основе серебра электрохимическим методом при лазерном воздействии», ГБЦМ 96-18 «Фотоакустическое преобразование в условиях туннельной электромагнитной интерференции», а полученные результаты вошли в содерлсание научных отчетов но этим темам. Часть исследований, проведенных ъ диссертации, выполнена совместно с польскими коллегами и финансировалась в рамках совместных международных грангов.
Целью настоящего исследования является разработка метода лазерной фотодефлекцнонной спектроскопии для изучения естественно гиротропных и магнитоактивных сред, а также магнитных жидкостей.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
-
исследовать влияние оптических, дихроичных, геометрических и теплофизических свойств образца, а также фазовых, поляризационных и энергетических характеристик падающего излучения на механизм формирования фотодефлекционного сигнала;
-
развить теорию фототермодефлекциониой спектроскопии и рассчитать термические напряжения, возникающие в поглощающей слоистой системе под воздействием лазерного излучения, изучить возможность определения их величины на основе измерения амплитуды фотодефлекционного сигнала;
-
изучить физические аспекты формирования фотодефлекционного отклика гиротропной среды в условиях туннельной электромагнитной интерференции встречных световых волн.
Объектом теоретического исследования в диссертации является фототермическое взаимодействие в естественно гиротропных и магнитоактивных средах при их изучении методом фотодефлекцнонной спектроскопии.
Для расчета электрических и магнитных полей в указанных средах использованы ковариантные методы электродинамики, разработанные Ф.И. Федоровым. Для решения систем дифференциальных уравнений, определяющих фотодефлекционный сигнал, и анализа процессов, связанных с его формированием, применялись методы математической физики, теория специальных функций и численные методы.
Значимость и научная новизна представленных результатов заключается в том, что впервые проведено теоретическое исследование особенностей формирования фотодефлекционного сигнала в естественно гиротропных и магнитоактивных средах на основании точного решения граничных электродинамических задач и использования методов прямого тензорного исчисления. При этом:
учтено влияние многолучевой интерференции собственных волн внутри исследуемых образцов и оптических эффектов, обусловленных естественной оптической активностью, на процесс возникновения фотодефлекционного отклика;
теоретически рассмотрено формирование фотодефлекционного сигнала в гиротропных средах в условиях туннельной электромагнитной интерференции;
предсказан эффект подавления переменной составляющей фотодефлекционного отклика за счет интерференционного перераспределения энергии в объеме исследуемого образца при изменении амплитудных характеристик одной из взаимодействующих волн;
предложен способ измерения величины относительного линейного дихроизма магнитных жидкостей основанный на импульсной фотодефлекционной спектроскопии;
обоснована возможность определения фотодефлекционным методом температурных напряжений в двухслойной системе.
Рассмотренные в диссертационной работе особенности формирования фотодефлекционного сигнала в естественно гиротропных и магнитоактивных средах могут быть использованы при экспериментальном измерении параметров поглощения и циркулярного дихроизма естественно гиротропных и магнитоактивных кристаллов, а также при измерении относительного линейного дихроизма магнитных жидкостей. Результаты, относящиеся к определению упругих постоянных, напряжений и деформаций в двухслойных системах, могут найти применение для бесконтактного неразрушающего контроля тонкопленочных покрытий, а также при измерении сил взаимной адгезии в многослойных образцах.
Использование закономерностей, установленных при исследовании встречного взаимодействия световых волн в естественно гиротропных средах, позволит создать устройства для эффективного
управления амплитудными и фазовыми характеристиками фотодефлекционного отклика путем вариации энергетических параметров, состояния поляризации и разности начальных фаз взаимодействующих волн.
Разработанный на основе полученных в диссертации теоретических результатов пакет прикладных программ для персонального компьютера позволяет по расчетным данным определить оптимальный режим измерения амплитуды фотодефлекционного сигнала, и тем самым существенно уменьшить объем трудоемких экспериментальных измерений.
На основе результатов работы возможны как конструирование новых приборов для фотоакустической и фотодефлекционной спектроскопии, так и повьгаїение чувствительности и разрешающей способности существующих приборов.
Результаты, полученные в ходе исследования процессов
возникновения фотодефлекционного преобразования в естественно
гиротропных и магнитоактивных средах, могут представлять
коммерческий интерес при реализации проектов, связанных с
созданием различных оптико-акустических приборов,
спектрополяриметров, дихрометров, датчиков и т.д.
