Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современное состояние исследований в области фото акустических и фототепловых методов изучения конденсированных сред 23
1.1. Краткий исторический обзор развития фотоакустических и фототепловых методов исследования конденсированных и газообразных сред 23
1.2. Современное состояние исследований в области развития и применения фотоакустических и фототепловых методов 26
1.2.1. Краткая характеристика состояние исследований в области фотоакустических и фототепловых методов спектроскопии 26
1.2.2. Состояние исследований в области фотоакустических и фототепловых методов микроскопии 27
1.2.3. Состояние исследований в области фотоакустики напряженных материалов 29
1.3. Фотоакустический эффект в твердых телах и методы его регистрации 32
1.3.1. Основные механизмы формирования фотоакустических колебаний в твердых телах...32
1.3.2. Фотоакустический метод с микрофонным способом регистрации сигнала 35
1.3.3. Фотоакустический метод с пьезоэлектрическим способом регистрации сигнала 37
1.4. Оптические методы регистрации фотоакустических и фототепловых процессов в
конденсированных средах 39
1.4.1. Фоторефрактивные методы 40
1.4.1.1. Метод тепловой линзы 40
1.4.1.2. Фотодефлекционный метод 41
1.4.1.3. Интерференционный метод 43
1.4.2. Фоторефлекционный метод 46
1.4.3. Радиометрический метод регистрации фототепловых процессов 48
1.5. Принципы образования сигналов в фотодефлекционном и интерферометрическом методах при регистрации фототермических процессов 51
1.5.1. Регистрация фотодефлекционных сигналов в приближении геометрической оптики...53
1.5.2. Регистрация термоволновых сигналов интерферометрическим методом 56
1.5.3. Лазерные фототермодеформационные методы 57
1.6. Методы расчета термоволновых и фотоакустических сигналов от неоднородных объектов 59
1.6.1. Методы расчета термоволновых сигналов от неоднородных объектов 60
1.6.2. Методы расчета фотоакустических колебаний в неоднородных объектах 61
Выводы к главе 1 63
ГЛАВА 2. Волновые эффекты при фотодефлекционной регистрации температурных волн 65
2.1. Теоретическая модель образования фотодефлекционных сигналов в рамках волновой оптики 65
2.1.1. Общая методика расчета фотодефлекционного сигнала с учетом эффектов волновой оптики 69
2.1.2. Фотодефлекционный сигнал от однородного образца 73
2.2. Количественный анализ влияния волновых эффектов на поведение фотодефлекционных сигналов 79
2.2.1. Анализ влияния волновых эффектов на поведение фотодефлекционных сигналов в зависимости от частоты модуляции возбуждающего излучения 80
2.2.2. Анализ влияния теплофизических параметров образца и размеров пучка возбуждающего излучения на степень проявления волновых эффектов при фотодефлекционных измерениях 84
2.3. Экспериментальная апробация методики расчета фотодефлекционных сигналов в рамках волновой оптики 86
2.4. Определение теплофизических характеристик и параметров трещин в керамиках лазерным фотодефлекционным методом 93
2.4.1. Теоретический анализ процесса формирования фотодефлекционного сигнала в керамиках с подповерхностными трещинами 94
2.4.2. Результаты экспериментального изучения процесса формирования фотодефлекционного сигнала в керамиках с подповерхностными трещинами 101
2.5. Модель образования фоторефлекционного сигнала в рамках волновой оптики при термоволновых экспериментах с твердотельными объектами 105
2.5.1. Анализ распределения поля в пучке зондирующего лазера после отражения от поверхности твердотельного объекта при фоторефлекционных экспериментах 106
2.5.2. Расчет фоторефлекционного сигнала от твердотельных объектов в рамках волновой оптики 113
Выводы к главе 2 119
ГЛАВА 3. Интерферометрические методы в лазерных термоволновых измерениях 121
3.1. Интерферометрические методы локальной регистрации температурных волн 121
3.2. Расчет интерферометрических сигналов при локальной регистрации температурных волн 123
3.2.1. Расчет интерферометрических сигналов от тепловой линзы при перпендикулярной геометрии расположения зондирующего и возбуждающего лазерных пучков 125
3.2.2. Расчет интерферометрических сигналов от тепловой линзы при параллельной геометрии расположения зондирующего и возбуждающего лазерных пучков 126
3.3. Сравнительный анализ интерферометрического и фотодефлекционного методов регистрации термоволновых процессов 127
3.3.1. Сравнение интегральных чувствительностей интерферометрического и фотодефлекционного методов с перпендикулярной ориентацией считывающего и возбуждающего лазерных пучков 128
3.3.2. Сравнение интегральных чувствительностей интерферометрического и фотодефлекционного методов с параллельной ориентацией считывающего и возбуждающего лазерных пучков 135
3.4. Шумы и пороговые чувствительности интерферометрического и фотодефлекционного методов 139
3.4.1 Шумы и пороговые чувствительности фотодефлекционного метода 140
3.4.2. Сравнительный анализ шумов и пороговых чувствительностей интерферометрического и фотодефлекционного методов 142
3.5. Реализация интерферометрического способа регистрации термоволновых процессов на базе оптической системы с двумя дифракционными решетками 148
3.5.1. Расчет термоволнового сигнала для интерферометра с двумя дифракционными решетками 150
3.5.2. Анализ основных характеристик интерферометра с двумя дифракционными решетками при регистрации термоволновых сигналов 154
3.6. Сравнительный анализ особенностей формирования термоволновых изображений интерферометрическим и фотодефлекционным методами на примере полученных экспериментальных результатов 157
Выводы к главе 3 161
ГЛАВА 4. Исследование процессов генерации, распространения и рассеяния температурных и акустических волн в неоднородных твердотельных объектах 163
4.1. Формулировка общего теоретического подхода к решению задач лазерной термоволновой и фотоакустической микроскопии 163
4.2. Расчет термоволновых процессов в неоднородных твердотельных объектах в рамках теории возмущений 164
4.2.1. Общая постановка термоволновой задачи для неоднородных твердотельных объектов в рамках теории возмущений 166
4.2.2. Решение термоволновой задачи для неоднородных объектов методом преобразования Фурье 168
4.3. Передаточные функции систем фотоакустической микроскопии с газомикрофонным способом регистрации сигнала 170
4.3.1. Расчет сигнала систем фотоакустической микроскопии с газомикрофонным способом регистрации от неоднородностей с заданной пространственной частотой 171
4.3.2. Характеристики систем фотоакустической микроскопии при использовании режима работы с пространственной модуляцией возбуждающего излучения 176
4.4. Передаточные функции систем термоволновой микроскопии, формирующих изображения фотодефлекционным и интерферометрическим методами 178
4.4.1. Расчет сигнала систем фотодефлекционной микроскопии для неоднородностей с заданной пространственной частотой 178
4.4.2. Анализ характеристик систем фотодефлекционнной микроскопии в зависимости от пространственной частоты неоднородности 181
4.5. Примеры использования фотодефлекционной микроскопии для диагностики полупроводников, облученных быстрыми протонами или ионами 186
4.6. Особенности формирования фотоакустических сигналов с пьезоэлектрическим способом регистрации от неоднородных объектов 189
4.6.1. Общая постановка и основные приближения при решении задач фотоакустической микроскопии с пьезоэлектрической регистрацией сигнала 191
4.6.2. Оценка степени влияния упругих и термоупругих неоднородностей на сигналы фотоакустической микроскопии 193
4.6.3. Формирование фотоакустического сигнала в неоднородных объектах с фиксированной внешней границей 196
4.6.4. Формирование фотоакустического сигнала в образцах со свободной внешней границей 203
Выводы к главе 4 213
ГЛАВА 5. Фото акустический эффект в напряженных материалах. Теория и эксперимент 215
5.1. Формулировка общих подходов к экспериментальному и теоретическому исследованию фотоакустического эффекта в напряженных материалах 215
5.2. Многофункциональная установка для фотоакустической и термоволновой микроскопии твердотельных объектов с внутренними напряжениями 217
5.3. Примеры фото акустических и термоволновых изображений керамик, индентированных по Виккерсу 220
5.4. Влияние нагрузки индентирования и отжига на поведение фотоакустического и термоволновых сигналов от мест индентации в керамиках 225
5.4.1. Зависимость величины фотоакустических колебаний от нагрузки индентирования 226
5.4.2. Влияние отжига на поведение фотоакустического и термоволновых сигналов от мест индентации в керамиках: 227
5.5. Теоретическая модель фотоакустического эффекта в напряженных материалах 232
5.5.1. Теоретическая модель для расчета акустических колебаний в напряженных материалах, обусловленных нелинейными упругими процессами 233
5.5.2. Теоретическая модель для расчета акустических колебаний в напряженных материалах при термоупругом механизме генерации 236
5.5.3. Граничные условия для определения фотоакустических колебаний в напряженных телах при решении задачи в рамках нелинейной акустики 239
5.6. Уравнение теплопроводности для твердотельных объектов с внутренними напряжениями 240
5.7. Линеаризация уравнения движения для твердотельных объектов с внутренними напряжениями 243
5.7.1. Линеаризованное уравнение движения и его решение для однородно деформированных твердотельных объектов 245
5.7.2. Расчет фотоакустического пьезоэлектрического сигнала для однородно деформированных твердотельных объектов 247
5.8. Поведение фотоакустических колебаний вблизи концов радиальных трещин в керамиках при отсутствии и воздействии внешних напряжений 251
5.8.1. Теоретическая модель формирования фотоакустических колебаний вблизи концов радиальных трещин в керамиках 251
5.8.2. Применение разработанной теоретической модели для анализа поведения фотоакустических колебаний вблизи концов вертикальных трещин 254
5.9. Результаты экспериментальных исследований фотоакустических колебаний вблизи концов вертикальных трещин и их сравнение с разработанной теоретической моделью 258
5.9.1. Поведение фотоакустических колебаний вблизи концов радиальных трещин в керамиках, ориентированных перпендикулярно или параллельно направлению действия внешнегонапряжения 259
5.9.2. Поведение фотоакустических колебаний вблизи концов радиальных трещин в керамиках, ориентированных произвольным образом относительно направления действия внешнего напряжения 263
5.9.3. Регистрация фотоакустическим методом эффекта налегания берегов трещин друг на друга 267
5.9.4. Влияние приповерхностных технологических напряжений на поведение фотоакустических колебаний 270
5.10. Фотоакустический эффект вблизи мест индентации в металлах 275
5.10.1. Фотоакустический эффект вблизи области индентации по Виккерсу в наноникеле..275
5.10.2. Фотоакустический эффект в зонах индентации по Виккерсу в металлах 279
Выводы к главе 5 286
Заключение 288
Литература 292
Основные публикации, по материалам которых написана диссертация 310
- Состояние исследований в области фотоакустических и фототепловых методов микроскопии
- Анализ влияния волновых эффектов на поведение фотодефлекционных сигналов в зависимости от частоты модуляции возбуждающего излучения
- Шумы и пороговые чувствительности интерферометрического и фотодефлекционного методов
- Решение термоволновой задачи для неоднородных объектов методом преобразования Фурье
Введение к работе
Диссертация обобщает результаты теоретико-экспериментальных исследований процессов трансформации энергии электромагнитного нестационарного излучения, включая, в первую очередь излучение оптического диапазона, в энергию тепловых и акустических волн или колебаний в твердотельных объектах. В диссертации обобщены результаты по разработке научной базы волновых фотоакустических (ФА) и фототермических (ФТ) методов диагностики и микроскопии современных материалов, включая материалы в напряженном состоянии.
Актуальность темы диссертации определяется тем, что исследование процессов трансформации энергии электромагнитного нестационарного излучения (в частности нестационарного оптического излучения) в энергию тепловых и акустических волн или колебаний в твердотельных объектах открывает принципиально новые перспективы их использования в чисто научных и практических целях.
Уникальные возможности лазерных фотоакустических (ФА) и термоволновых (ТВ) методов исследования обусловили их интенсивное развитие на протяжении многих лет. В научных целях исследования подобного рода способствуют выявлению широкого круга линейных и нелинейных физических свойств современных материалов и структур (в первую очередь оптических, тепловых, акустических или упругих, термоупругих). Часто к этим параметрам может добавляться информация и о других важных характеристиках материала. Высокая чувствительность волновых ФА и ТВ методов к приповерхностным свойствам объектов способствует их широкому использованию в современных тонкопленочных технологиях различного рода (например, оптических, полупроводниковых и микроэлектронных), а также в нанотехнологиях.
В рамках данной работы особое значение имело исследование влияния внутренних напряжений на ФА и ТВ процессы в твердых телах. Изучение вопросов подобного рода представляет специальный интерес, так как регистрация внутренних напряжений в современных материалах является самостоятельной достаточно сложной и важной задачей. Разработка различных физических методов регистрации внутренних напряжений в современных материалах в настоящее время активно проводится в целом ряде ведущих лабораторий мира. Принципиальным достоинством современных ФА и ТВ методов является универсальность, неразрушающий характер, высокая чувствительность, а также возможность производить измерения интересующих параметров с высоким пространственным разрешением и в широком частотном диапазоне (вплоть до ТГц и выше).
Уникальные возможности оптических ФА и ФТ методов исследования твердотельных объектов обуславливают их интенсивное развитие на протяжении многих лет. На основе полученных научных результатов в области генерации акустических и тепловых волн с помощью ФА и ФТ процессов, изучения процессов их распространения и рассеяния уже разработаны эффективные методы современной спектроскопии, диагностики теплофизических и упругих параметров объемных материалов и тонкопленочных структур, а также эффективные методы современной микроскопии
В области спектроскопии использование ФА и ФТ методов обеспечивает возможность изучения объектов с рекордными на сегодняшний день значениями коэффициентов поглощения оптического излучения, как в области малых, так и больших их значений С другой стороны развитие современной быстродействующей оптической, оптоэлектронной и лазерной техники сделало возможным проведение ФА и ФТ методами измерений на слоях материалов и тонких пленках с толщинами, находящимися в нанометровом диапазоне Вместе с тем быстро развивающиеся в последнее время работы в области технологий новых материалов и структур требуют усовершенствования уже имеющихся и создания новых диагностических методов, в том числе и на основе ФА и ФТ методов.
С точки зрения практических применений исследования подобного рода направлены на создание научной базы принципиально новых методов диагностики и неразрушающего контроля, а также микроскопии современных материалов и структур как на стадии их изучения, так и контроля в процессе эксплуатации. Особое значение в этом отношении имеет разработка ФА и ФТ методов детектирования и мониторинга внутренних напряжений, поскольку их роль в процессах разрушения материалов и конструкций в настоящее время общепризнанна.
Среди различных моделей ФА эффекта в конденсированных средах особое положение занимает модель, основанная на преобразования энергии оптического нестационарного излучения в энергию акустических волн или колебаний по термоупругому механизму Особая роль этой модели обуславливается ее универсальностью Генерация акустических волн или колебаний по этому механизму характерна для всех видов твердых тел (диэлектриков, металлов, полупроводников). В виду важности и сложности задач подобного рода интерес к их рассмотрению остается достаточно высоким и в настоящее время, несмотря на относительно продолжительное время их изучения. Среди важных проблем, определяющих развитие ФА и ФТ методов в настоящее время, следует выделить, в частности, такие направления как изучение ФА и ФТ волновых и колебательных процессов в структурно-неоднородных объектах, включая объекты с внутренними напряжениями. Для получения количественной информации в данных областях необходимо дальнейшее развитие теории ФА и ФТ волновых и колебательных процессов в таких объектах, включая нелинейные модели, а также разработка соответствующих экспериментальных методов.
К настоящему моменту получены заметные результаты, связанные с решением рассматриваемых проблем, однако многие вопросы в этой области еще требуют дальнейшей проработки.
Целью диссертационной работы является проведение фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований ФА и ФТ волновых и колебательных процессов в неоднородных материалах и структурах, в объектах с внутренними механическими напряжениями, выяснение фундаментальных связей параметров ФА и ТВ сигналов с параметрами неоднородностей различных типов, разработка методов высокочувствительной регистрации ФА и ТВ процессов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решалить следующие задачи:
1. Исследовать в рамках теории возмущений процессы генерации, распространения и рассеяния ТВ в неоднородных объектах сфокусированным на поверхность нестационарным оптическим излучением. Получить аналитические выражения для ФА колебаний при микрофонном и пьезоэлектрическом способах регистрации сигнала, фотодефлекционных (ФД) и фоторефлекционных (ФР) сигналов, позволяющие связать характеристики неоднородности с параметрами соответствующих ФА и ФТ сигналов. На основе полученных результатов исследовать особенности формирования ФА и ФТ изображений неоднородных объектов.
2. Разработать теорию образования ФА и ФТ сигналов в рамках волновой оптики с учетом процессов дифракции зондирующего излучения на нестационарных тепловых неоднородностях вблизи или внутри объекта, а также эффектов его интерференции в плоскости фотоприемников. Установить границы применимости традиционных моделей образования ФД и ФР сигналов, основанных на приближениях геометрической оптики.
3. Выполнить сравнительный теоретический и экспериментальный анализ ФД и интерферометрических методов регистрации ТВ сигналов. Разработать экспериментальные схемы, реализующие основные достоинства интерферометрического метода. Выяснить оптимальные условия использования ФД и интерферометрического методов для регистрации ФТ процессов.
4. Исследовать возможности использования ФА и ТВ волновых и колебательных процессов для локального определения теплофизических и термоупругих характеристик материалов, толщин тонких пленок, параметров трещин, внутренних напряжений.
5. Разработать модель нелинейного ФА эффекта в напряженных материалах. Методами ФА и ТВ микроскопии изучить особенности формирования ФА и ТВ изображений вблизи мест индентации по Виккерсу в хрупких и пластичных материалах. Исследовать особенности процессов трансформации ФА и ТВ изображений областей вблизи зон индентации по Виккерсу под действием внешних напряжений.
6. В рамках общей теоретической модели ФА эффекта в напряженных материалах разработать специальную модель формирования ФА колебаний вблизи концов вертикальных трещин. С помощью ФА микроскопии исследовать особенности поведения ФА колебаний вблизи концов трещин как при наличии только, внутренних напряжений, так и при действии внешних нагрузок.
7. Разработать и создать автоматизированную установку для комплексных исследований твердотельных объектов методами ФА и ТВ микроскопии, позволяющую регистрировать ФА и ТВ колебательные и волновые процессы различными методами, как в исходном состоянии, так и при приложении к ним заданных внешних напряжений.
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими основными результатами, полученными при решении поставленной задачи:
1. Разработан комплексный системный подход к теоретическому и экспериментальному изучению ФА и ФТ волновых и колебательных процессов в неоднородных твердотельных объектах.
2. Рассмотрены процессы оптической генерации, распространения и дифракции температурных волн в неоднородных объектах. Найдены передаточные функции систем ФА и ТВ микроскопии при различных способах регистрации сигнала.
3. Разработан новый подход в рамках волновой оптики к механизмам образования ФД и ФР сигналов с учетом процессов дифракции зондирующего излучения в зоне действия тепловых неоднородностей в объекте. Определена связь этих сигналов с теплофизическими параметрами изучаемых объектов. Установлены границы применимости использовавшихся ранее результатов, полученных в рамках геометрической оптики.
4. Проведен сравнительный анализ ФД и интерферометрического методов в рамках волновой оптики и трехмерной модели тепловой диффузии. Сформулированы оптимальные условия использования этих методов в области ТВ микроскопии твердотельных объектов и спектроскопии.
5. Предложены полностью бесконтактные ТВ способы определения теплофизических параметров и толщин тонких слоев непрозрачных материалов. Разработаны ТВ методики детектирования, визуализации и оценки параметров подповерхностных трещин.
6. Разработана модель образования ФА колебаний в материалах с внутренними напряжениями. В рамках предложенных моделей установлены механизмы влияния внутренних напряжений на ФА процессы в материалах с внутренними напряжениями, определена связь ФА сигналов с механическими напряжениями, действующими в их приповерхностных слоях.
7. Разработана теоретическая модель формирования ФА колебаний вблизи концов вертикальных трещин. Установлена связь ФА сигналов с внутренними напряжениями вблизи концов трещин, а также с коэффициентами интенсивности напряжений. Продемонстрировано соответствие полученных теоретических результатов с данными ФА микроскопии для керамик индентированных по Виккерсу.
8. Выяснены особенности образования ФА колебаний вблизи зон индентации по Виккерсу в металлах. Продемонстрировано сильное влияние внешних напряжений на ФА изображения областей, расположенных внутри зоны индентации.
Научная значимость диссертационной работы определяется тем, что в рамках цикла теоретических и экспериментальных исследований заложены и развиты основы нового научного направления - ФА и ФТ волновых и колебательных методов изучения структурно-неоднородных объектов, включая материалы с внутренними напряжениями. На основании единого подхода к процессам генерации, распространения и рассеяния температурных и акустических волн, разработаны методики расчета ТВ и ФА сигналов от структурно-неоднородных объектов. Предложена и разработана нелинейная модель ФА эффекта в напряженных материалах. Выявлены особенности проявления ФА эффекта в напряженных материалах. Разработаны принципиально новые подходы к оптическим методам регистрации ФТ и ФА колебательных процессов, основанные на приближении волновой оптики и позволяющие существенно расширить границы применимости ФТ и ФА методов. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Развитый в рамках теории возмущений теоретический подход, позволяет производить расчет процессов генерации, распространения и рассеяния температурных, термоупругих и акустических волн в твердотельных объектах с неоднородностями различной формы и различной физической природы - тепловой, термоупругой, упругой. Разработанный подход впервые позволил в общей форме установить связь параметров ТВ и ФА волновых и колебательных процессов с характеристиками неоднородностей в слабо неоднородных объектах, получить аналитические выражения для передаточных функций систем ФА и ТВ микроскопии при различных режимах работы. Он также создает теоретическую базу для интерпретации широкого круга экспериментальных данных ТВ и ФА микроскопии.
2. Разработанная в рамках волновой оптики теория образования ФД и ФР сигналов позволяет установить границы применимости приближения геометрической оптики при интерпретации данных ФД и ФР экспериментов, касающихся в первую очередь определения теплофизических характеристик твердотельных объектов и структур. Предложенная теория позволяет существенно повысить пространственную разрешающую способность ФД и ФР методов при проведении локальных теплофизических измерений благодаря адекватной интерпретации экспериментальных данных в области температурных волн высокой частоты.
Ее использование позволяет выяснить оптимальные условия применения интерферометрического и ФД методов для регистрации ТВ процессов.
3. Предложенная в работе теоретическая модель нелинейного ФА эффекта в напряженных материалах позволяет производить расчет акустических волн и ФА колебаний в объектах с внутренними напряжениями и на основании полученных в работе экспериментальных данных проанализировать степень влияния нелинейных термоупругих и акустических параметров на ФА эффект в напряженных материалах. Ее использование позволяет выяснить связь ФА колебаний с коэффициентами интенсивности полей напряжений вблизи внутренних дефектов (в первую очередь вблизи концов трещин), что впервые позволило объяснить экспериментальные данные по влиянию напряжений различных типов (нормальных, касательных) на поведение ФА колебаний вблизи концов трещин.
4. Разработка комплексного экспериментального подхода к изучению ТВ и ФА процессов в неоднородных материалах позволила экспериментально обнаружить влияние внешних и внутренних напряжений на ФА сигналы в керамиках и металлах, а также позволила независимым образом контролировать вклад теплофизических и термоупругих процессов в ФА сигнал. Предложенные в работе экспериментальные и теоретические методики позволяют производить оценки параметров полей внутренних напряжений по данным ФА микроскопии, они позволяют определять чувствительность ФА метода к механическим напряжениям в различных материалах, развивать принципиально новые методики неразрушающего контроля внутренних напряжений. Практическая ценность работы.
1. Предложен и апробирован метод определения внутренних напряжений ФА методом. Отработаны методики визуализации внутренних напряжений в керамиках и металлах.
2. Предложена модель формирования ФД и ФР сигналов в рамках волновой оптики, справедливая в широком диапазоне температурных волн. Разработанная модель позволяет существенно расширить диапазон температурных волн для количественных измерений ФД и ФР методами.
3. Установлены оптимальные условия использования ФД и интерферометрического методов. Определены условия, при которых интерферометрический метод способен обеспечивать более высокую чувствительность по сравнению с ФД методом.
4. Предложены ФД и ФР методы определения теплофизических параметров объемных материалов и тонких пленок. В последнем случае продемонстрирована возможность использования этих методов для определения толщин тонких пленок.
5. Разработаны методики расчета передаточных функций систем ФА и ФД микроскопии, проведен сравнительный анализ этих систем. Выявлены особенности влияния различных теплофизических параметров, внутренних напряжений на ФА и ФД изображения, позволяющие делать выводы о характере регистрируемых с их помощью изображений.
6. Разработана и собрана многофункциональная автоматизированная установка для получения изображений объектов ФА и термоволновыми методами, позволяющая производить измерения теплофизических характеристик образцов. Уникальной особенностью установки является возможность получения изображений объектов, как в исходном состоянии, так и при воздействии заданных внешних напряжений.
Личный вклад автора. Все основные научные результаты диссертационной работы получены автором лично. При разработке экспериментальной установки по проведению ФА и ФТ измерений существенная роль принадлежала АЛ.Глазову. При получении экспериментальных результатов в работах принимали участие АЛ.Глазов, В.И.Николаев, В.С.Калиновский и А.В.Суворов.
В совместных работах автору принадлежит постановка задачи, теоретический анализ, участие в получении экспериментальных результатов, а также анализ полученных результатов. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались также на физических семинарах ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН, СПбГ политехнического университета, университета им.Ф.Шиллера (Йена, Германия), Штутгартском университете (Штутгарт, Германия), институте проблем машиноведения РАН, институте фундаментальных технических проблем ПАН (Варшава, Польша), а также докладывались на следующих конференциях:
- Всесоюзном научно-техническом семинаре "Фотоакустическая и акустическая микроскопия твердых тел" (Киев, 1985 г.).
- ХШ Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике (Черновцы, 1986 г.).
- научно-технической конференции "Акустоэлектрические и фотоакустические методы исследования полупроводников" (Киев, 1986 г.).
- XI и XII Всесоюзных конференциях "Неразрушающие физические методы контроля" (Москва, 1987 г. и Свердловск, 1990 г.).
- международной конференции по оптике им.Э.Аббе (Иена, ГДР, 1989 г.).
- Всесоюзной школе-семинаре "Фотоакустическая спектроскопия и микроскопия (фотоакустические и термоволновые явления)" (Душанбе, 1989 г.).
- международных конференциях Int. Conf. on Photoacoustic and Photothermal Phenomena - VH (Дорверс, Нидерланды, 1991 г.), VIII (Гваделупа, Франция, 1994 г.), IX (Рим, Италия, 1998 г.), X (Киото, Япония, 2000 г.), XI (Торонто, Канада, 2002 г.), XII (Рио де Жанейро, Бразилия, 2004 г.), ХШ (Каир, Египет, 2007).
- международных конгрессах Thermal Stresses - Ш (Краков, Польша, 1999 г.), IV (Осака, Япония, 2001 г.), V (Блэксбург, США, 2003 г.), VI (Вена, Австрия, 2005 г.).
- международной школе "Laser Optoacoustics and Photothermal Phenomena", (Ла Хойя (La Jolla), США, 1999 г.).
- европейских конференциях European Conf. on Thermophysical Properties - 15-ой (Вюрцбург, Германия, 1999 г.), 16-ой (Лондон, Англия, 2002 г.).
- 5-ом международном семинаре Workshop on Photoacoustic and Photothermics (Катовицы, Польша, 2000 г.).
- 6-ой международной конференции Int. Conf. on Residual Stresses (Оксфорд, Англия, 2000 г.)
- международной конференции Int. Conf. on Failure Analysis and Metals Properties Monitoring (Екатеринбург, 2001 г.).
- VIII и ГХ Всероссийских Съездах по Теоретической и Прикладной Механике (Пермь, 2001, Нижний Новгород 2006).
- международных конференциях "Lasers for Measurements and Information Transfer" (Санкт-Петербург, 2001, 2002, 2004, 2006, 2007 гг.).
- европейском конгрессе "Materials Week 2002" (Мюнхен, Германия, 2002 г.).
- XV международной конференции Int. Conf "Physics of Fracture and Plasticity of Materials" (Тольятти, Россия, 2003 г.).
- XXXI, ХХХП, ХХХШ, XXXTV международных школах-конференциях Summer School
- Conference "Advanced Problems in Mechanics" (Репино, Санкт-Петербург, 2003, 2004, 2005, 2007 гг.).
- 17-ой европейской конференции European Conference on Thermophysical Properties (Братислава, Словакия, 2005).
- 14-ой Зимней Школе по механике сплошных сред (Пермь, 2005 г.).
- международном семинаре Int. Topical Meeting on Optoinformatics, (Санкт-Петербург, 2005, 2006 гг.).
- 24-ой европейской конференции European Conference on Surface Science (Париж, Франция, 2006).
- 7-ой европейской конференции European Conference on Residual Stresses (Берлин, Германия, 2006).
- XLVI международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (Витебск, Белоруссия, 2007).
- 13- ой международной конференции Int. Conf. on Surface Science (Стокгольм, Швеция, 2007).
По теме диссертационной работы опубликованы в 108 работ, в том числе 1 книга, 1 авторское свидетельство СССР на изобретение.
Структура и объем работы. Основное содержание диссертационной работы изложено на 324 страницах машинописного текста, иллюстрировано 77 рисунками, содержит 1 таблицу. Диссертационная работа включает в себя введение, пять глав, заключение и список цитированной литературы из 247 наименований.
Содержание диссертации. Во введении обосновывается актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, ее научная новизна, выдвинуты положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрено состояние современных работ в области ФА и ТВ исследований конденсированных сред, отмечены наиболее серьезные проблемы в этой области. Описываются основные механизмы генерации акустических волн и колебаний в твердых телах оптическим излучением. Специальное внимание уделено рассмотрению состояния исследований в области изучения ФА эффекта в напряженных материалах на момент начала нашей работы. Отмечается, что современные ФА и ТВ методы позволяют производить детальную диагностику состояния теплофизических, упругих и термоупругих свойств материалов. При этом большое внимание уделяется описанию и анализу состояния исследований в области оптических методов регистрации ФА и ТВ процессов.
Серьезное внимание уделено анализу состояния исследований особенностей ФА колебаний в напряженных материалов. В целом отмечается важность проблемы детектирования и мониторинга внутренних напряжений на современном уровне развития науки и техники. На основании анализа современного состояния этих исследований в области фотоакустики делается заключение о необходимости развития теоретических моделей ФА эффекта в напряженных материалах, а также проведения дальнейших экспериментальных исследований в этой области. При этом отмечается, что дальнейшие экспериментальные исследования необходимо проводить в рамках комплексного подхода, позволяющего независимым образом контролировать теплофизические, термоупругие и упругие процессы в изучаемых объектах.
Во второй главе сформулированы основные положения теории ФД, ФР и интерферометрического методов с учетом взаимодействия и дифракции считывающего лазерного излучения с неравномерно и не стационарно нагретой средой (например, "тепловой линзой") в рамках волновой оптики.
В этой главе впервые развита теория образования ФД сигналов в рамках волновой оптики. В рамках такого подхода вычисление ФД сигнала сводится к определению распределения амплитуд электромагнитного поля в пучке считывающего лазера в плоскости позиционно-чувствительного фотодетектора после его взаимодействия с "тепловой линзой". В рамках нашей модели "тепловая линза" рассматривается в виде тонкого прозрачного элемента, находящегося в области воздействия на объект излучения возбуждающего лазера, а ее показатель преломления модулируется температурными волнами, генерируемыми возбуждающим лазером. Указанная комплексная амплитуда вычисляется с помощью интеграла Френеля-Кирхгофа, учитывая, что расстояние между плоскостью "тепловой линзы" и фотодетектором значительно превышает радиус пучка считывающего лазерного излучения.
Выяснена роль эффектов волновой оптики при формировании ФД сигналов при различной геометрии расположения считывающего и возбуждающего лазерных пучков относительно друг друга. Приведены результаты экспериментальной апробации предложенной модели, подтверждающие важную роль эффектов волновой оптики в процессах образования ФД сигналов. Полученные теоретические результаты были использованы для определения ФД методом теплофизических параметров различных материалов и параметров трещин в керамиках (величину раскрытия, теплового сопротивления), образующихся вблизи мест индентации по Виккерсу. Сделан важный вывод об отсутствии заметного влияния внутренних напряжений на теплофизические параметры керамик.
Развита модель образования ФР сигнала в рамках волновой оптики. Выполненный теоретический анализ позволил определить границы применимости результатов для ФР сигналов, полученных в приближении геометрической оптики.
Получены аналитические выражения для ФД и ФР сигналов при использовании ТЕМоо моды зондирующего лазера для формирования пучка считывающего излучения. Разработанные теоретические модели образования ФД и ФР сигналов носят универсальный характер и могут быть использованы для интерпретации экспериментальных данных, касающихся различных материалов.
В третьей главе разработаны теоретические и экспериментальные основы интерферометрического метода для локальной регистрации температурных волн в прозрачных и непрозрачных твердотельных объектах. Получены общие выражения для интерферометрических сигналов при локальном характере возбуждения температурных волн. Выполнен сравнительный анализ интегральной и пороговой чувствительностей интерферометрического и ФД методов при одинаковых экспериментальных условиях. Показано, что с уменьшением радиуса считывающего пучка в зоне действия "тепловой линзы" интерферометрический метод обеспечивает более высокую чувствительность по сравнению с ФД методом в области относительно невысоких частот модуляции возбуждающего излучения.
На основании анализа шумов различной природы в обоих методах и имеющихся в литературе данных показано, что теоретически отношение пороговых чувствительностей интерферометрического и ФД методов выше соответствующего отношения интегральных чувствительностей. Предложена интерферометрическая схема для локальной регистрации температурных волн интерферометрическим методом. Экспериментально проверены результаты теоретического анализа поведения интерферометрических и ФД сигналов, продемонстрирована возможность практической реализации потенциальных преимуществ интерферометрического метода. В частности, показано, что применение интерферометрического метода с предложенной оптической схемой позволяет существенно увеличить скорость построения изображений при относительно невысоких частотах модуляции возбуждающего излучения. Произведена апробация использования разработанных методов для измерения характеристик образцов со сложной внутренней и многослойной структурой.
В частности, показано, что применение интерферометрического метода с предложенной оптической схемой позволяет существенно увеличить скорость получения ТВ изображений при относительно невысоких частотах модуляции возбуждающего излучения. Произведена апробация использования разработанных методов для измерения характеристик образцов со сложной внутренней и многослойной структурой.
Исследование модельных структур типа металл - диэлектрик (SiC ) - полупроводник (Si) оптическими ТВ методами показали возможность регистрации слоя диэлектрика толщиной несколько десятков нанометров при сравнении с соответствующими сигналами от образца без слоя SiC 2. Было показано, что для обеспечения такой точности необходимо измерение фазы интерферометрического и ФД сигналов не хуже 1° в килогерцовом диапазоне частот. Вместе с тем на примерах таких структур было продемонстрировано, что использование интерферометрического метода позволяет в несколько раз сократить время получения ТВ изображений.
Таким образом, теоретически и экспериментально было показано, что разработанный интерферометрический метод позволяет получить более высокую, чем в ФД методе, чувствительность в герцовом и нижнем килогерцовом диапазоне частот модуляции возбуждающего излучения, а также повысить скорость получения ТВ изображений твердотельных объектов.
В четвертой главе разработана методика расчета процессов генерации, распространения и рассеяния температурных и акустических волн в неоднородных твердотельных объектах в рамках теории возмущений. Полученные теоретические результаты применены для экспериментального анализа характеристик систем ТВ микроскопии и получаемых с их помощью изображений. В рамках теории возмущений с помощью интегральных преобразований Фурье решена система уравнений теплопроводности для неоднородной среды при условии, что вариации теплоемкости на единицу объема и теплопроводности мало отличаются от средних параметров среды. В этом приближении получены выражения для ФД, интерферометрического и ФА сигналов.
Получены выражения для передаточных функций систем ФД, интерферометрической и ФА микроскопии. Показано, что ТВ изображения, обусловленные распределением теплоемкости на единицу объема или теплопроводности, формируются по-разному. Выполнен количественный анализ основных характеристик систем ФД, интерферометрической и ФА микроскопии в терминах передаточных функций и зависимости соответствующих сигналов от параметров неоднородности в исследуемом объекте. Установлены оптимальные условия использования систем ФД, интерферометрической и ФА микроскопии. В рамках разработанного подхода также исследована зависимость разрешающей способности систем ТВ микроскопии от размера источника температурных волн (от радиуса возбуждающего лазерного пучка). Полученные теоретические результаты могут послужить теоретической базой для интерпретации экспериментальных данных, полученных при использовании различных методов ТВ микроскопии. Приведены примеры использования полученных результатов для диагностики ТВ методами полупроводниковых материалов, облученных быстрыми протонами или ионами.
Рассмотрены процессы образования ФА сигналов при пьезоэлектрическом способе регистрации сигнала от неоднородных объектов. Необходимость подобного рассмотрения связана с отсутствием ранее проведенных исследований в этой области. Важную роль в рамках данной работы занимало исследование процессов образования ФА сигналов при пьезоэлектрическом способе их регистрации от объектов, находящихся в напряженном состоянии.
В рамках сформулированной задачи считалось, что неоднородный твердотельный объект характеризуется модулями упругости, коэффициентом термоупругой связи, зависящими от координат. В общем случае, решение подобной задачи связано с серьезными математическими сложностями. В связи с этим для ее решения был разработан подход, основанный на теории возмущений. В его рамках поставленная задача была решена в квазистатическом приближении в предположении, что упругие и термоупругие свойства неоднородного объекта характеризуются небольшими изменениями этих параметров относительно их среднего уровня. Выполнена оценка вкладов нелинейных акустических и термоупругих процессов в ФА сигнал с пьезоэлектрическим способом регистрации в напряженных материалах.
При этих условиях были получены аналитические выражения для нестационарных компонент вектора деформаций, описывающие колебательные процессы при перемещениях отдельных элементов твердотельных объектов под действием периодического воздействия оптического излучения. Полученные для компонент вектора деформаций результаты могут быть использованы для решения широкого круга задач по возбуждению упругих колебаний в твердотельных объектах по термоупругому механизму. В частности, с их помощью были определены ФА колебания от неоднородных объектов, регистрируемые с помощью пьезоэлектрического элемента.
Полученные в этой главе выражения для ФА колебаний могут служить теоретической основой для интерпретации данных ФА микроскопии от неоднородных объектов. Была продемонстрирована эффективность их использования для анализа данных ФА экспериментов на индентированных керамиках и металлах.
В пятой главе экспериментально и теоретически исследованы вопросы, касающиеся ФА эффекта в напряженных материалах. В ней описана многофункциональная экспериментальная установка для исследования твердотельных объектов, позволяющая получать изображения с помощью ФД интерферометрического, ФР и ФА методов. Приведены примеры ТВ изображений, полученных различными методами. Произведен сравнительный анализ достоинств различных ТВ методов получения изображений при решении задач различного типа.
Экспериментально показано, что ФА изображения областей в керамиках индентированных по Виккерсу принципиальным образом отличаются от термоволновых. Получены ФД и ФР изображения мест индентации. Выполнен детальный анализ ФД и ФР изображений областей, расположенных вблизи концов радиальных трещин. Экспериментально продемонстрировано отсутствие каких-либо особенностей в поведении ФД и ФР сигналов в этих областях, характеризующихся сильной концентрацией внутренних напряжений.
Продемонстрировано наличие особенностей ФА колебаний вблизи концов радиальных трещин и соответствующие повышенному уровню ФА сигналов. Приведены результаты экспериментов по изучению зависимости ФА колебаний от нагрузки индентации, времени отжига, а также ФА данных при прямом нагружении образцов, подтверждающие связь ФА сигналов с механическими напряжениями.
Сформулированы основные принципы построения нелинейной теории ФА эффекта в напряженных материалах. Теоретический подход основан на использовании нелинейной модели Мурнагана, в которой нелинейные эффекты учитываются введением соответствующих модулей Мурнагана (или эквивалентных им модулей упругости третьего порядка), а также зависящим от напряжений коэффициентом термоупругой связи. Разработан метод линеаризации соответствующих этой модели уравнений движения. Для одномерной модели получены аналитические выражения для ФА сигнала в напряженных материалах. Продемонстрировано, что при отсутствии нелинейных процессов в материале ФА колебания перестают зависеть от напряжений. Приведены оценки нелинейной составляющей коэффициента термоупругой связи, позволяющие объяснить влияние механических напряжений на наблюдающиеся в напряженных керамиках ФА эффекты.
Изучены особенности поведения ФА сигналов вблизи концов радиальных (медиальных) трещин, образующихся при индентации по Виккерсу. Выяснены особенности поведения ФА колебаний в этих областях при наличии внутренних и внешних напряжений, действующих на трещину. Приведены результаты экспериментальной проверки полученных теоретических результатов для трещин с различной ориентацией относительно направления действия внешнего напряжения.
Исследованы особенности ФА колебаний в напряженных металлах вблизи мест индентации по Виккерсу. Получены ФА изображения этих мест. Показано, что для них характерно наличие двух зон. Одна из них захватывает участки, расположенные вблизи отпечатка, а вторая соответствует его внутренней области. В первом случае показано, что при отсутствии дополнительных технологических напряжений поведение ФА колебаний достаточно хорошо соответствует современным представлениям о характере изменения внутренних напряжений вблизи мест индентации. Во втором случае установлено, что ФА изображения внутренних областей индентации в металлах имеют ярко выраженную структуру. При этом воздействие внешних напряжений приводит к значительным изменениям ФА изображений, которые могут частично релаксировать к исходному состоянию при снятии внешнего напряжения.
В целом, полученные в главе экспериментальные результаты продемонстрировали достаточно высокую чувствительность ФА микроскопии к механическим напряжениям в керамиках и металлах, а также возможность ее использования для детектирования внутренних напряжений в современных материалах.
В заключении перечислены основные результаты, полученные в ходе выполнения настоящей диссертационной работы.
Состояние исследований в области фотоакустических и фототепловых методов микроскопии
ФА и ФТ методы исследования твердотельных объектов основаны на использовании физических процессов, являющихся следствием преобразования энергии нестационарного оптического излучения в энергию акустических или тепловых волн или колебаний. Впервые ФА эффект был обнаружен А. Беллом в 1880 году [1]. Этот эффект заключался в возбуждении акустических колебаний в замкнутых объемах газа вблизи некоторых твердых веществ, при поглощении солнечного света промоделированного по интенсивности со звуковой частотой. В связи с этим он получил название ФА эффекта. В последствии это открытие было подтверждено в работах В. Рентгена [2,3] и Дж. Тиндаля [4,5].
Тогда же А.Белл предложил и первое применение ФА эффекта - оптический телефон. В созданном А. Беллом устройстве, так называемом фотофоне, звуки человеческого голоса вызывали колебания подвижного зеркальца, которые тем самым модулировали пучок отраженного солнечного света. В качестве приемника использовался замкнутый объем с поглощающей свет средой, в которой вследствие ФА эффекта возникал звук, воспринимаемый человеком через слуховую трубку. Однако в дальнейшем развитии телефонии оптический телефон не смог конкурировать с электрическим, и долгое время как самому ФА эффекту, так и его применениям не было уделено сколько-нибудь заметного внимания.
Лишь более полувека спустя ФА эффект был вновь возрожден благодаря работам ленинградского физика М.Л. Венгерова. Исследуя возможности создания различных тепловых приемников излучения, М.Л. Венгеров обратил внимание на такие достоинства ФА эффекта как селективность и высокая чувствительность. Благодаря успехам работ в этой области ФА эффект нашел первое практическое применение после 1937 года, когда на его основе М.Л. Венгеров с сотрудниками разработал оптикоакустические газоанализаторы [6]. Приборы такого типа оказались достаточно простыми и чувствительными. Они с успехом использовались как для качественного, так и количественного анализа газовых смесей. В последующих работах были продемонстрированы широкие возможности применения ФА эффекта и для решения других задач, в частности, для определения длительности возбуждения колебательных состояний молекул, измерения слабых потоков ИК излучений, изучения фотохимических реакций.
Интерес к изучению ФА эффекта в конденсированных средах был вновь стимулирован благодаря работам Е.Ф. Гросса в 1958 году [7,8]. В последующих работах А. Розенцвейг [9] развил методику регистрации поглощенной энергии в твердотельных образцах на основе измерения акустических колебаний газовой среды, соприкасающейся с объектом. При использовании некогерентных источников излучения им были продемонстрированы большие практические возможности подобных методик для спектрального анализа твердотельных объектов, включая такие традиционно неудобные для оптической спектроскопии объекты как порошки, биологические объекты и т.п. [10,11].
Примерно на этой же стадии развития ФА спектроскопии твердых тел было продемонстрировано, что ее важным достоинством по сравнению с другими видами спектроскопии является возможность независимого определения коэффициентов объемного и поверхностного поглощения [12-13]. Реализация данной возможности основывается на измерениях с использованием не только амплитудных, но и фазовых характеристик ФА сигналов. Разработки в этой области способствовали широкому применению методов ФА спектроскопии для изучения поверхностных свойств материалов, а также тонкопленочных покрытий.
Совмещение принципов локальной генерации тепловых и акустических волн оптическим излучением на поверхности объекта с его перемещением по двум координатам с помощью системы пространственного сканирования заложило основы для создания ФА микроскопии и диагностики параметров твердотельных объектов [10-12,14-22]. В области диагностики были предложены методы определения теплофизических параметров твердых тел. К таким параметрам в первую очередь следует отнести коэффициенты тепловой диффузии и теплопроводности, а также теплоемкость.
Эффективность подхода подобного рода была продемонстрирована для диагностики приповерхностных слоев материалов, а также тонких пленок, нанесенных на подложку. На этой начальной стадии развития методов ФА диагностики интерпретация результатов производилась главным образом на основании рассмотрения простых теплофизических моделей термоволновых процессов в твердотельных объектах (в основном одномерных), а для регистрации ФА сигналов использовался метод газовой микрофонной камеры.
Использование современных систем детектирования, электронной обработки и визуализации изображений способствовало появлению разнообразных применений ФА микроскопии. В общем случае ФА изображения объекта несут информацию о локальных значениях параметров, влияющих на процесс образования ФА колебаний. К ним в первую очередь относятся оптические параметры образца (коэффициент поглощения возбуждающего излучения и коэффициент его отражения от поверхности), тешюфизические, термоупругие, а также упругие параметры материала образца.
В первых ФА микроскопах регистрация акустических колебаний производилась с помощью микрофонов. В соответствии с теорией образование сигналов в таких приборах происходит за счет нестационарного теплового расширения газа, находящегося в тепловом контакте с образцом. Поэтому ФА изображения в этом случае определялись оптическими и теплофизическими параметрами объекта и практически не зависели от его термоупругих и упругих свойств.
Разрешающая способность ФА микроскопов с микрофонной регистрацией сигнала определяется размером пятна оптического излучения на поверхности образца и длиной тепловой волны. Поскольку модуляция оптического излучения в первых ФА микроскопах обычно производилась с помощью механических модуляторов и граничная частота микрофонов также была относительно невысока (обычно меньше 50 кГц), то разрешающая способность первых микроскопов определялась длиной тепловой волны и для большинства материалов составляла около 10 мкм.
Здесь следует отметить, что большинство современных моделей ФА и термоволновых процессов основано на использовании для их описания закона Фурье [23]. Известно, что этот закон приводит к описанию термоволновых процессов с помощью уравнения диффузии параболического типа. В этом случае для ТВ характерно распространение с достаточно быстрым затуханием. В настоящее время известны и сложности, связанные с таким подходом. К ним, в частности, относится проблема бесконечной скорости распространения тепла [24].
В связи с этим предложены и разработаны более сложные модели нестационарных теплофизических процессов [24-27]. В них распространение тепла может описываться уже уравнениями гиперболического типа, а сами тепловые волны могут распространяться на значительные расстояния. Подобные подходы могут использоваться для описания теплофизических процессов при низких температурах, в гетерогенных средах, а также в быстро протекающих процессах.
Анализ влияния волновых эффектов на поведение фотодефлекционных сигналов в зависимости от частоты модуляции возбуждающего излучения
Механизмы формирования ФА сигналов в твердых телах характеризуются достаточно большим разнообразием. Их разнообразие с одной стороны связано с различной природой твердотельных объектов, изучаемых ФА методами, а с другой с широкими возможностями по выбору типа воздействия на объект, представляемыми современной оптической и лазерной техникой. В результате могут реализовываться различные механизмы формирования ФА сигналов. К основным механизмам реализации ФА эффекта в первую очередь следует отнести термоупругий, стрикционный, деформационный, непосредственно световым давлением света, а также разнообразные механизмы, обусловленные генерацией плазмы излучением внутри объекта [21,22].
С точки зрения реализации того или иного механизма ФА эффекта важную роль играет степень прозрачности материала по отношению к возбуждающему излучению. Так, в прозрачных материалах основным источником возбуждения акустических волн и колебаний лазерным излучением являются электрострикционные силы. Оценки показывают, что электрострикция на ультразвуковых частотах может играть существенную роль при коэффициентах поглощения света а \ CM_1[21].
При больших значениях коэффициентах поглощения возбуждающего света в области звуковых и ультразвуковых частот основным механизмом возбуждения звука становится тепловой или термоупругий [21,22,84]. Следует отметить, что это наиболее типичный и универсальный механизм преобразования энергии оптического излучения в акустическую форму. Суть термоупругого механизма состоит в тепловом расширении участка образца при поглощении энергии возбуждающего излучения в процессе его освещения и его последующего охлаждения при отсутствии освещения. Термоупругие деформации создаются как благодаря тепловому расширению области при нагреве во время облучения, так и ее последующему сжатию в результате остывания при его отсутствии.
В свою очередь переменные турмоупругие деформации генерируют нестационарные турмоупругие напряжения, которые трансформируются в акустические колебания всего объекта или в распространяющиеся в нем акустические волны. Важной особенностью ФА термоупругого механизма является его универсальность. Он в значительной степени присутствует во всех непрозрачных материалах. Регистрация акустических колебаний или волн при использовании ФА метода обычно производится с помощью пьезоэлемента, подсоединенного к изучаемому объекту [85-87].
Исключения из этого правила возможны только в тех случаях, когда поглощенная световая энергия термализуется не сразу либо не полностью. Такая ситуация может иметь место, например, при разрыве межатомных связей в ковалентных кристаллах. В этом случае появляется новый механизм ФА генерации звука, который называется концентрационно-деформационным или просто деформационным, а его величина характеризуется так называемой константой деформационного потенциала [88,89].
В ряде объектов, характеризующихся сильным отражением и слабым поглощением лазерного излучения, возможно возбуждение акустических колебаний непосредственно под действием светового давления [90]. В настоящее время возможность реализации ФА эффекта такого типа привлекает внимание исследователей в связи с перспективностью его использования для управления системами микро- и наномеханики. Важной особенностью механизма генерации акустических колебаний под действием светового давления является независимость возбуждаемых акустических колебаний от длины волны оптического излучения. Последнее обстоятельство делает возможным создание на его основе эталонных методик для измерения силы и открывает путь к изучению роли силы Казимира в наномеханических системах [91,92].
Вместе с тем механическое управление поведением микро- и нанообъектами с помощью лазерного излучения возможно не только за счет действия сил светового давления. В частности, при термоупругом механизме возбуждения звуковых волн вблизи фокуса лазерного излучения создается достаточно сложная структура механических сил, позволяющая осуществлять захват и управление поведением отдельных микро- и наночастиц. В рамках подобного подхода в настоящее время ведутся активные исследования по возможности создания "фотоакустического пинцета", представляющего большой интерес для современной биологии и медицины [93].
При генерации оптическим излучением звука в твердых телах в общем случае возбуждаются как объемные, так и поверхностные акустические волны. Использование лазеров позволяет существенно изменять характер облучения поверхности объекта и влиять тем самым на параметры возбуждаемых акустических волн [21,84]. Так, например, облучение поверхности объекта импульсами сильно сфокусированного излучения приводит к генерации акустических волн в широком частотном диапазоне и с достаточно широкой диаграммой направленности.
Облучение поверхности объекта движущимся лазерным лучом может приводить к эффективной генерации объемных и поверхностных волнРэлея [21,84,94-98]. Узкополосную генерацию волн Рэлея можно осуществлять облучением поверхности объекта световой решеткой [99-102] или бегущей световой решеткой. Последний способ был предложен и исследован нами в работе [103]. Важным достоинством этого способа является то, что волна Рэлея эффективно испускается только в одном заданном направлении.
Поверхностные волны Рэлея, как и тепловые волны, характеризуются достаточно быстрым затуханием вглубь образца. Поэтому оба типа волн могут использоваться для неразрушающего контроля приповерхностных слоев объектов. Вместе с тем, поскольку их характеристики определяются различными физическими параметрами, то эффективность использования этих подходов может зависеть от характера решаемой задачи.
Шумы и пороговые чувствительности интерферометрического и фотодефлекционного методов
Наряду с ФА методами для регистрации ФА и ФТ процессов в конденсированных средах в настоящее время широко используются и различные оптические методы. Оптические методы по сравнению с другими ФА и ФТ методами обладают рядом преимуществ. Одно из них наиболее существенное заключается в их полной бесконтактности. Оптические методы обладают высокой чувствительностью и позволяют регистрировать ФА и ФТ процессы в широком диапазоне частот модуляции возбуждающего излучения, часто превосходящим возможности других методов.
Используемые в настоящее время для регистрации ФА и ФТ эффектов оптические системы и методы характеризуются большим разнообразием. По типу физических эффектов, используемых для регистрации сигнала, оптические методы можно подразделить на фоторефракционные, фоторефлекционные и фотодеформационные [12,22]. В фоторефракционных методах процесс регистрации сигнала основывается на модуляции показателя преломления среды или образца под действием тепловых или акустических колебаний.
В фоторефлекционном методе сигнал образуется благодаря модуляции коэффициента отражения зондирующего излучения от поверхности образца в результате колебаний ее температуры под воздействием возбуждающего лазерного излучения. В фотодеформационнном методе полезный сигнал образуется в результате изменения характеристик отраженного от поверхности исследуемого объекта пучка зондирующего излучения, возникающих из-за ее деформаций и изменения формы в результате теплового расширения при поглощении энергии возбуждающего излучения. Рассмотрим кратко основные характеристики, свойственные каждому из этих методов.
К группе фоторефрактивных методов относятся метод термолинзы, интерферометрические методы и фотодефлекционные методы. Эти методы могут применяться для исследования как слабопоглощающих, так и сильнопоглощающих объектов. В последнем случае применение метода основывается на регистрации изменений показателя преломления граничащей с образцом среды.
Общей чертой, характерной для всех перечисленных методов, является то, что они основаны на регистрации изменений показателя преломления объекта или окружающей его среды, возникающих в результате воздействия на исследуемый объект возбуждающего излучения. Следует отметить, что изменения показателя преломления среды могут происходить по целому ряду причин. К ним в первую очередь следует отнести теплофизические процессы, возбуждение акустических волн, генерацию в среде неравновесных зарядов, а также некоторые другие [22]. Следует отметить, что для корректной интерпретации данных фоторефрактивных экспериментов необходима оценка степени влияния всех указанных процессов на изменения показателя преломления. Однако в рамках данной работы будут рассматриваться главным образом фоторефрактивные процессы, имеющие теплофизическую природу.
Следует отметить, что в отличие от других лазерных ТВ методов исследования непрозрачных объектов, ФР методы обладают еще одним преимуществом. Оно заключается в том, что считывающий лазерный луч проходит над поверхностью образца, и не взаимодействует с ней непосредственно, тогда как в остальных методах он отражается от нее. Поэтому ФР методы предъявляют существенно менее жесткие требования к оптической чистоте поверхности, что значительно расширяет класс исследуемых объектов. Это обстоятельство может играть особенно важную роль при использовании ФР методов в лазерной ТВ микроскопии.
Метод тепловой линзы является одним из наиболее разработанных в настоящее время [125,126]. Он основан на искажении фазовых фронтов лазерного пучка при его прохождении через исследуемую среду, возникающих в результате неоднородного нагрева ее объема. Искажения фронтов лазерного пучка приводят к "расплыванию" лазерного пучка и изменению его эффективного радиуса, которое регистрируется в виде соответствующих изменений мощности светового потока на фотоприемнике, находящимся за диафрагмой.
В некоторых случаях считывающий пучок одновременно может быть и возбуждающим, что упрощает методику эксперимента, но может снизить чувствительность метода из-за сложности выделения полезного сигнала на фотоприемнике. Наиболее эффективно данный метод используется при спектроскопических исследованиях однородных слабо поглощающих образцов, в том числе тонких пленок. Метод тепловой линзы практически не применяется для изучения непрозрачных объектов, поскольку в этом случае его эффективность оказывается существенно ниже, чем других ТВ методов (в первую очередь фотодефлекционного).
При использовании в методе тепловой линзы двух лазеров (возбуждающего и зондирующего) оптимальной является коаксиальная геометрия расположения возбуждающего и зондирующего лазерных пучков. В этом случае максимальный вклад в "расплывание" пучка зондирующего лазера вносит осевая зона, где приращение температуры имеет наибольшее значение. Вместе с тем возможен и другой подход, основанный на некоаксиальной геометрии расположения пучков [22]. В этом случае оси обоих пучков смещены относительно друг друга, причем зондирующий луч проходит через зону с максимальным градиентом температуры. Неоднородный нагрев среды в области прохождения зондирующего лазерного излучения приводит к отклонению его распространения (так называемый "эффект миража"). Отклонения пучка регистрируется позиционно-чувствительным фотоприемником.
Решение термоволновой задачи для неоднородных объектов методом преобразования Фурье
Наряду со смещением поверхности в результате локальных термоупругих деформаций происходит и искривление поверхности образца. Изменение формы поверхности может быть зарегистрировано с помощью оптической системы, изображенной на рис. 1.5. Для регистрации изменений направления распространения считывающего лазерного пучка при его отражении от поверхности образца в этой схеме необходима определенная модификация фоточувствительного элемента [172-174]. Она состоит в замене обычного фотоприемника на фотоприемник с ножевой диафрагмой или на координаточувствительный фотоприемник из двух секций, включенных по балансной схеме.
Предельные возможности по регистрации угла отклонения зондирующего пучка при такой реализации фототермодеформационного метода, так же как и в ФД методе, определяются фотонными шумами зондирующего лазера и электронными шумами регистрирующей системы. В этом случае сигнал оказывается пропорциональным не смещению поверхности образца, а производной вектора деформации, нормальной к его поверхности, по соответствующей координате.
Вместе с тем следует отметить, что оба из описанных вариантов метода часто называют фотодеформационными, независимо от способа регистрации сигнала [22].
Важное достоинство фототермодеформационного метода состоит в том, что он может использоваться при высоких частотах модуляции возбуждающего излучения. Это обеспечивает возможность изучения объектов с помощью ТВ, термоупругих и акустических волн высокой частоты. В результате оказывается возможным исследование очень тонких приповерхностных слоев, а также достигается высокая разрешающая способность соответствующих измерений. Кроме того, этот метод позволяет проводить эксперименты в вакууме, так как он не требует использования вспомогательной регистрирующей среды.
Вместе с тем фототермодеформационному методу присущи и существенные недостатки. Так, фототермодеформационный метод предъявляет высокие требования к качеству поверхности образца и ее рельефу. Поверхность образца должна достаточно хорошо отражать считывающее излучение, чтобы избежать его паразитного рассеяния при отражении. С другой стороны наличие рельефа на поверхности образца приводит к смещению положения отраженного считывающего пучка на фотоприемниках и разбалансу компенсационной схемы. Последнее обстоятельство делает весьма затруднительным или даже невозможным использование фототермодеформационного метода для решения задач микроскопии.
На формирование фототермоакустических сигналов оказывают влияние как теплофизические, упругие, так и термоупругие свойства объекта. Поэтому при количественном анализе результатов, получаемых таким методом, необходимо учитывать наряду с тепловыми, также термоупругие и упругие процессы в объекте. Это обстоятельство сильно усложняет определение характеристик исследуемых объектов, в отличие, например, от ФР метода, в котором при количественном анализе процесса образования сигнала можно полностью пренебречь термоупругими эффектами, возникающими в образце [175]. Вместе с тем использование фототермоакустического метода позволяет получать информацию о термоупругих свойствах материала объекта, которая остается недоступной при использовании ФД и ФР методов.
Количественный анализ и интерпретация экспериментальных результатов, получаемых методами ТВ и ФА микроскопии, представляет собой важную и актуальную проблему. С одной стороны, подобный анализ необходим для локального определения теплофизических, упругих и термоупругих характеристик исследуемого объекта, а с другой - для исследования параметров самих систем ТВ и ФА микроскопии.
Прежде всего следует отметить, что имеющиеся в настоящее время подходы к количественному анализу неоднородных объектов ТВ и ФА методами существенно различаются. Поэтому рассмотрим их по-отдельности. Начнем со случая ТВ микроскопии.
Использование методов ТВ микроскопии, как правило, не связано с регистрацией термоупругих и акустических процессов. Поэтому количественный анализ задач ФТ микроскопии более прост, так как необходимо учитывать только теплофизические процессы, которые обычно определяются тепловой диффузией. При этом вкладом акустических волн или колебаний неизбежно возбуждаемой в объекте нестационарными температурными полями, в общее изменение температуры в твердых телах обычно можно пренебречь из-за слабости в них дилатационных процессов. Как правило, их эффективность не превышает 10" по отношению к нагреву, создаваемому непосредственно вследствие поглощения световой энергии [176].
Таким образом, при отсутствии каких-либо специальных кинетических и релаксационных процессов в изучаемом объекте задача заключается в решении системы трехмерных нестационарных уравнений теплопроводности для объекта, а в ряде случаев и окружающей среды, с неоднородными коэффициентами и локализованным нестационарным источником. В общем случае такая задача не имеет точного аналитического решения [177]. Поэтому серьезное внимание уделялось и продолжает уделяться в настоящее время поиску различных приближенных решений уравнения теплопроводности, а также разработке численных методов его решения.
При определении теплофизических характеристик твердотельных объектов по данным ТВ измерений в принципе возможны два разных подхода. Первый заключается в непосредственном решении обратной задачи [178] и по ее результатам восстановление теплофизических параметров объекта, используя данные ТВ микроскопии. Второй подход заключается в расчете сигнала ТВ микроскопии, исходя из имеющихся априорных данных о характере неоднородностей. При этом часто реальные неоднородности заменяются некоторыми модельными, а соответствие экспериментальных и теоретических результатов осуществляется за счет варьирования определенной группы параметров [179]. Если число неизвестных мало, то решение прямой задачи, как правило, более эффективно.
Постановка и решение обратных задач ТВ и ФА микроскопии представляет собой важную отдельную область исследований [180-182]. Следует отметить, что в данной работе задача по разработке методов решения подобных задач специально не ставилась. Поэтому проблемы, касающиеся решения обратных задач ТВ и ФА диагностики и микроскопии в дальнейшем обсуждаются лишь в краткой форме.
Специальный круг задач ТВ микроскопии составляют задачи, в которых неоднородные образцы могут быть представлены состоящими из отдельных областей относительно простой геометрической формы, для которых решение задачи может быть найдено с помощью функции Грина [183-185]. Использование подобного подхода является весьма эффективным, однако класс областей, для которых функция Грина может быть выписана в явном виде, остается достаточно ограниченным.
Наиболее простым примером задач такого типа являются слоистые объекты с однородными слоями, параллельными поверхности. В этом случае решение может быть найдено с помощью интегральных преобразований в виде, удобном для последующего расчета ТВ сигналов [186-189]. Задача с рассмотрением ТВ процессов в неоднородных объектах со слоями, параллельными его поверхности, при определенных условиях допускает и аналитическое решение. Так в работах [190,191], были получены аналитические решения для ТВ сигналов для образцов с изменением коэффициента теплопроводности по глубине по линейному закону. В работе [192] был разработан метод, позволяющий получать асимптотические выражения для высокочастотных тепловых волн и ТВ сигналов при произвольном одномерном законе изменения коэффициента теплопроводности вглубь образца.
