Фототермоакустический эффект в слоистых средах Федин, Андрей Викторович

Введение к работе

Одним из фундаментальных эффектов, сопровождаюпщх взаимодействие элеЕтромагпптпого излучения с конденсированной средой является возбуждение звуковых волп. Преобразование электромагнитной энергии в акустическую возможно за счет различных механизмов. Их можно разделить на два больших класса — линейные н квадратичные по амплитуде электромагнитного поля.¹

Линейные до поліо механизмы приводят к возбуждению звука той же частоты, что и электромагнитная волна. Поскольку спектр акустических фонопов ограничен сверху частотой Дебая {шц ~ 10¹³ с^-1) при воздействии на среду электромагнитного излучения оптического диапазона (w ~ 10^1а с^-1) возбуждение звука возможно только за счет квадрагячно-нелинейных по полю механизмов при условии, что иптепсивпость излучения модулируется с частотой, попадающей в акустический диапазон. Данный частный случай преобразования модулированного (в частности импульсного) оптического излучения принято называть оптоакустпческим (ОА) или фото-акустическим (ФА) преобразованием (эффектом).

Универсальными квадратично-неляпейвымп по полю (линейными по интенсивности) механизмами ФА преобразования являются термоупругпй (тепловой), электро- и магнитострикпдоппый и механизм, связанный с давлением излучения.¹ Домпнируюигкм среди них является термоупругий механизм,² связанный с нагревом и тепловым расширением среды, вследствие выделения части поглогценпой ею электромагнитной энергии в форме тепла в результате бззызлу-чательной колебательно-поступательной релаксации.

В результате ФА преобразования акустические волны возбуждаются как в среде, поглощающей излучение (прямой ФА эффект), так п в контактирующей с ней (окружающей) среде (косвенный ФА эффект). В диссертации рассматривается тхпгячлый случай, когда поглощающей средой является твердое тело или жидкость, а окружающей средой — газ (обычно воздух). В косвенном ФА преобразовании определяющую роль, как правило, играет процесс термодиффу-зии, главным образом, из области поглощения излучения в окружающую среду, что связано с относительно большим коэффициентом теплового расширения газа. Поэтому целесообразно ь нести для него

'Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. М.: Наука, 1991, 304с. ²Лямшсв Л.М. Лазерное термооптическоо возбуждение звука.- М.: Наука, 19f \ 240с.

термин — фототермоакустический (ФТА) эффект. Соответственно, возбуждаемое в окружающей среде возмущение давления будем называть ФТА сигналом.

Особый интерес представляет ФТА преобразование в слоистых структурах, когда в зависимости от характеристик слоев может меняться эффективность различных термоупругих механизмов преобразования - теплового расширения, сжатия и смещения среды. Кроме того, слоистые среды являются моделью различных биологических объектов, напыленных структур, элементов радиоэлектронной аппаратуры и т.п.

Эффективность ФТА преобразования возрастает при размещении поглощающей среды в ячейке, представляющей собой замкнутый объем, заполненный воздухом. Наряду с однокамерными, используются двух и трехкамерные ячейки (последние удобны для анализа преобразования импульсного излучения), достоинством которых является наличие, соответственно, одного или двух собственных низкочастотных резонансов (типа резонанса Гельмгольца).

При теоретическом исследовании ФТА преобразования в диссертации, наряду с другими, используется матричный метод,³ широко применяемый для анализа возбуждения и распространения упругих волн в слоистых средах, а также метод передаточных функций,⁴ позволяющий разделить влияние процессов возбуждения и распространения на профиль ФТА сигнала, что значительно упрощает анализ преобразования в многокамерных ячейках.

Актуальность исследований ФТА эффекта в слоистых средах определяется двумя обстоятельствами.

Во-первых, анализ ФТА преобразования, как частного случая электромагнитно-акустического преобразования, имеет фундаментальное значение, так как позволяет полнее представить картину взаимодействия электромагнитного излучения с конденсированной средой. Кроме того, он способствует углублению наших представлений о взаимодействии тепловых и упругих полей и существующих механизмах возбуждения звука.

Во-вторых, исследование ФТА эффекта представляет прикладной интерес, так как он лежит в основе разнообразных ФТА методої

*Молотхов Л.А. Матричный метод в теории распространения іюлн в слоистых упруги: жмдых средах. Л.: Наука, 1984, 201с.

'Вурыжстрова Л.В., Карабутов А.А., Портнягин А.И., Руденко О.В., Черепецкая Б.Б. Аіуст. журн., 1978, т.27, №5, с.&41-668.

диагпостнки конденсированных сред, основанных на анализе различных характеристик ФТА сигнала, возбуждаемого при поглощении в исследуемой среде оптического излучения. В качестве примера укажем метод ФТА спектроскопии.⁵ Он относится к группе калориметрических методов спектроскопии, общим характерным признаком которых является получение информации о свойствах и составе анализируемого образца на основе регистрации поглощенной в нем энергии излучения по сопутствующим изменениям физических параметров как самого образца, так н окружающей его среды. В сравнении с другими калориметрическими методами ФТА метод является одним из самых простых и эффективных. В частности, он позволяет исследовать такие «неудобные» для классической спектроскопии объекты, как различные порошки, биологические образцы и т.п.

Целью работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование фототермоакустпческого преобразования в слоистых средах под действием различных термоупругих механизмов и разработка на их основе новых методов диагностики сред.

Научная новизна работы определяется следующими полоке-ншшп, выносимыми на защиту:

1. Исследован новый механизм генерации ФТА сигнала в слоистых средах — движение слоя, как целого, вызванное поглощением в нем модулированного оптического излучения. На его основе разработана методика измерения оптических характеристик конденсированных сред — относительных спектров отражения и поглощения, абсолютного значения коэффициента поглощения.

2. С помощью матричного метода в конечном виде получено решение задачи описания фототермоакусгачесхого преобразования непрерывного излучения в среде, состоящей из произвольного числа слоев. Учтено «взаимодействие» тепловых и упругих волн при отражении от границ слоев.

3. Аналитически рассчитан временной профиль ФТА сигнала, возбуждаемого коротким импульсом излучения. Проведен анализ амплитудно-временных характеристик сигнала в зависимости от величины поглощения.

4. Предложен и экспериментально исследован импульсный метод измерения абсолютного значения коэффициента поглощения

'Roaeacwsig A. Photoacoastics and photoacoustic spectroscopy.- N.Y.: J.Wiley, 1900, 310p.

оптического излучения. Метод основан на анализе характеристик фототермоакустического сигнала, возбуждаемого в трехка-ыерной ячейке при поглощении в исследуемой среде короткого импульса оптического излучения.

б. Разработана конструкция трехкамерной фототермоахустичекой ячейки, обладающая высокой эффективностью преобразования зондирующего оптического излучения в информационный отклик, а также малой чувствительностью к шумовым помехам. Получены выражения для расчета спектральной чувствительности ячейки при различных способах регистрации сигнала. Экспериментально исследованы резонансные и шумовые характеристики ячейки.

6. На основе ФТА эффета предложена модификация косвенного метода анализа загрязнения воздушной и водной среды твердыми частицами. Получены оценки чувствительности метода.

Научная достоверность полученных теоретических результатов гарантируется их строгим математическим выводом из основных (линеаризованных) уравнений механики сплошных сред, переходом в частных случаях в результаты, полученные ранее другими авторами и согласованностью с экспериментальными данными.

Практическое значение работы определяется тем, что полученные результаты могут быть положены в основу новых методов диагностики разлн'шых сред. В частности, предложены методы измерения оптических характеристик непрозрачных образцов и анализа загрязнения воздушной и водной среды твердыми частицами.

Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах Акустического института, на XI Всесоюзной акустической конференции (Москва, 1991), на VIII Международной конференции по фотоакустике и фототепловым явлениям (Пуэнт-а-Питр, Франция, 1994) и опубликованы в работах [1-4].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем работы составляет 132 страницы, в том числе 3 таблицы, 21 рисунок и библиография из 72 наименований.