Введение к работе
В настоящей диссертации приводятся результаты исследований гора, полученные в 1975-1996 г.г. на физическом факультете МГУ им. З.Ломоносова. Диссертация содержит решение комплекса іретических и экспериментальных проблем, связанных с юльзованием оптоакустического эффекта для исследования шрхностного и объемного поглощения света, объемного и іерхностного затухания ультразвука.
В работе обоснована применимость модели несвязанной задачи (моупругости для описания лазерного термооптического возбуждения этразвука, развита теория термооптического возбуждения зтразвука неподвижным и движущимся с трансзвуковой скоростью іерньїм лучом, с учетом тепловой и акустической нелинейности, при гечных размерах луча, в идеальной и в диссипативной средах, звита теория термооптического возбуждения звука в фонеоднородных средах и решается задача реконструкции :пределения интенсивности света в среде по временной форме 'оакустического сигнала. Развит оптоакустический метод ледования поглощения света реальными поверхностями и ледовано взаимодействие излучения среднего ИК диапазона с иодическими металлическими поверхностями. Созданы лазерные очники "стандартных" ультразвуковых импульсов и с их помощью ледовано затухание продольных и поперечных волн в различных сронеоднородных материалах (металлах и сплавах, керамиках, іпозитах и т.п.) в широкой полосе частот.
Актуальность исследований обусловлена принципиально новыми
можностями, которые дает лазерная оптоакустика в исследованиях
ущего состояния вещества. Начало работы совпало с бурным
витием лазерной фото- и оптоакустики. Предложенная Розенцвайгом
Гершо в 1973 г. модификация метода фотоакустической
спектроскопии, позволившая исследовать спектры поглощения свете конденсированных средах, дала основу широкому классу работ фотоакустической спектроскопии. Использование газомикрофош регистрации фотоакустического сигнала позволяет, однако, исследов; только приповерхностные слои вещества на глубинах порядка дли диффузии тепла. Для иследования более глубоких слоев необходи использовать прямую регистрацию оптоакустического сигнала.
Важное значение для развития работ по лазерной оптоакустик СССР имела публикация в 1973 г. обзора Ф.В.Бункина В.М.Комиссарова, содержащего анализ первых исследований в э: области. Усилиями ученых Акустического института, ФШ Московского государственного университета была создана теог оптоакустического эффекта в жидкостях и твердых телах, проведе экспериментальные исследования, подтверждающие правильної теоретических моделей. Полученные результаты явились основой нов направления - лазерной оптоакустической диагностики.
В фотоакустической спектроскопии информацию о поглощег света средой получают из зависимости амплитуды и фазы осцилляї температуры при облучении ее периодически модулированн световым потоком. Поэтому для нахождения трехмерной карти распределения источников тепла в среде (связанных с поглощею света) необходима регистрация сигнала в широкой полосе час модуляции, что не позволяет производит измерения в реалы масштабе времени. В отличие от нее при импульсном лазері облучении исследуемой среды и регистрации возбуждаемых при эг. акустических сигналов с высоким временным разрешением возмоя исследование распределения поглощения и неоднородностей ере буквально за один лазерный импульс.
Для реализации этой возможности необходимо найти ев временной формы возбуждаемого акустического сигнала распределением поглощения света в среде и формой лазери
пульса; необходимо решить обратную задачу восстановления :пределения поглощения света по форме оптоакустического сигнала; лить проблему адекватной регистрации широкополоных акустических -налов. Эти задачи и решаются в настоящей диссертации.
Оптоакустическое исследование неоднородных сред в последнее змя привлекает все большее внимание в связи с проблемами агностики биологических сред и тканей. Этот метод, наряду с годами, основанными на рассеянии света, представляется наиболее эспективным для диагностики оптических неоднородностей тканей in ю. Более того, пропорциональность оптоакустического сигнала >ффициенту поглощения света делает этот метод уникальным для ігностики этого параметра в сильно рассеивающих свет средах, коими іяются биологические ткани.
Оптоакустический сигнал появляется практически при любом іимодействии импульсного лазерного излучения со средой. Поэтому гдставляется вполне естественным использовать этот канал для іучения информации о динамике взаимодействия лазерного гучения с поглощающей средой. При традиционных оптоакустических іерениях регистрируется только амплитуда оптоакустического нала, что позволяет судить только об интегральной величине лощенной энергии. Преимуществом оптоакустического метода при м остается оперативность получения информации о поглощении [учения поверхностью, в том числе и рифленой, эффективность іерений при относительно малом (по сравнению с коэффициентами іажения и рассеяния) коэффициенте поглощения света.
С другой стороны, регистрация оптоакустических импульсов с юким временным разрешением позволяет исследовать процесс лощения лазерного импульса и изменения фазового состояния дества в его динамике. Это дает уникальную возможность ледовать фазовые состояния вещества при высоких давлениях и іпературах в лабораторных условиях, исследовать метастабильные
короткоживущие состояния вещества.
Термооптическое возбуждение ультразвука дает уникальн; возможность возбуждать короткие и мощные акустические импуль легко контролируемым образом. Они могут быть эффектш использованы для целей широкополосной акустической спектроскопиі неразрушающего контроля. Обычно, однако, эффективно! возбуждения ультразвука лазерным излучением в конструкционн материалах невелика. Поэтому было необходимо разработь специальн термооптические источники "стандартных" акустических импульсов отладить методику регистрации широкополосных акустическ сигналов.
Целью работы являлась разработка методов лазері оптоакустической диагностики поглощения света и ультразвука неоднородных средах.
Задачи исследования:
теоретически и экспериментально исследовать термооптичеа возбуждение ультразвука в неоднородных средах, исследовать cbj распределения поглощения света и временной формы возбуждаем оптоакустического сигнала;
исследовать взаимодействие излучения среднего ИК-диапазона металлическими рифлеными поверхностями;
разработать метод и создать аппаратуру для широкополосі акустической спектроскопии с лазерными термооптически источниками ультразвука;
исследовать затухание продольных и сдвиговых акустических вол: конструкционных материалах.
Научная новизна и практическая ценность работы.
1. Создан комплекс широкополосного оптоакустического спектрометр
лазерными источниками ультразвука, предназначенный ;
исследования затухания ультразвука в неоднородных материала:
полосе частот 1-100 МГц при амплитудах импульсов давления о
кПа до 10 Мпа в реальном масштабе времени.
Впервые методом фазовой плоскости исследованы нестационарные
трансзвуковые течения сжимаемого газа, решена аналитически
задача об акустической проводимости критического сечения.
Впервые оптоакустическим методом исследовано поглощение ИК
излучения периодическими металлическими поверхностями и
обнаружена макроскопическая трансформация распределения
интенсивности в зеркально отраженном от металлической
дифракционной решетки световом пучке в условиях проявления
аномалий Вуда.
Впервые предсказана и экспериментально обнаружена анизотропия
теплового излучения металлических дифракционных решеток,
связанная с аномалиями Вуда.
Впервые разработана методика широкополосной акустической
спектроскопии сдвиговых волн в диапазоне частот 1-40 МГц с
использованием лазерных источников ультразвука.
Развита лазерная оптоакустическая методика измерения
распределения поглощения света в неоднородных средах.
Предложен метод исследования динамики кипения металлов при
импульсном лазерном нагреве их зажатой поверхности, позволяющий
достичь температур и давлений, практически недоступных при
квазистационарном нагреве, в том числе близких к критическим.
На защиту выносятся следующие результаты и положения: Метод передаточных функций для решения задачи термооптического возбуждения звука неподвижным лазерным лучом. Результаты теоретического анализа термооптического возбуждения звука движущимся с трансзвуковой скоростью лазерным лучом. Экспериментальная методика широкополосной оптоакустической спектроскопии продольных и сдвиговых волн с лазерными термооптическими источниками ультразвука. Лазерная оптоакустическая методика исследования распределения
поглощения света в неоднородных средах.
-
В условиях проявления аномалий Вуда наблюдает* макроскопическая трансформация распределения интенсивное: света в зеркально отраженном пучке, угловой спектр которого ши] вудовского резонанса решетки; трансформация обусловлеї интерференцией электромагнитных волн, отраженных как от плоске поверхности, с волнами, порожденными перерассеянием ПЭВ нулевой порядок дифракции.
-
Тепловое излучением металлических дифракционных решеті анизотропно; наблюдаются максимумы спектральной интенсивное излучения, связанные с резонансным перессеянием волн і периодическом рельефе.
-
Результаты оптоакустической диагностики затухания ультразвука микронеоднородных средах - металлах, керамиках, композитах.
-
Результаты оптоакустического исследования поглощения света неоднородных средах - магнитных жидкостях, фотографическі эмульсиях.
-
Методика и результаты оптоакустического исследования фазово состояния вещества при импульсном лазерном нагреве.
Апробация работы. Основные результаты исследовани представленные в диссертации, докладывались и обсуждались ] научных семинарах кафедры общей физики и волновых процессе кафедры акустики физического факультета МГУ им.М.В.Ломоносое семинарах Института спектроскопии РАН, НИЦТЛ РАН, Всесоюзні конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Тбилиси, 1976 Ереван, 1982 г., Минск, 1988 г., Ленинград 1991 г.), Всесоюзні акустических конференциях (Москва, 1977, Москва, 1983 г., Москва, 19! г.), Всесоюзных конференциях по нерезонансному взаимодействі-излучения с веществом (Ленинград, 1981 г., Вильнюс 1984 г., Ленингра 1990 г.), Международных симпозиумах по нелинейной акустике (Москі 1975 г., Лидс, 1981 г., Новосибирск, 1987 г.), Международні
мпозиумах по инфракрасной физике (Цюрих, 1988 г., Аскона, 1994 г.), нференциях по биомедицинской оптике (Сан Хосе, 1995 г., 1996 г., фселона, 1996 г.), Международных конференциях по неразрушающему нтролю (Санкт-Петербург, 1993 г., Москва, 1995 г., 1996 г.) и других.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в научных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из едения, семи глав, заключения и списка цитированной литературы, гссертация содержит 363 страницы машинописного текста, включая 7 блиц, 94 рисунка и список цитируемой литературы из 205 именований.
