Фотоакустическая спектроскопия слоистых и неоднородных гиротропных сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ГОЫЕЯЬСКШ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИЫ.Ф.СКОРИНЫ УДК 535.16:534.341

СВИРИДОВА ВАЛЕНТИНА ВЛАДИМИРОВНА

ФОТОАКУСТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ СЛОИСТЫХ И НЕОДЮРОДНЫХ ГИРОТРОПШХ СРЕД

Q1.04.C5 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученое степени кандидата ^пзико-матемаютескш: наук

Гомель 1997

Работа выполнена в Гомельском государственном университете им. Ф„Скорины.

Научные руководители: член-корреспондент АН Беларуси,

доктор физико - математических наук, профессор Сердшов А.Н.; кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Ыитюрич Г.С.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, старший научный сотрудник ХАТКЕВИЧ А.Г.,

доктор физико-математических наук, профессор ГУСАК Н. А.

Оппонирующая организация: Киевский университет

им. Т. Шевченко

Защита состоится * М" л^рчил, 1997 г. в часов на заседании совета по защите диссертаций К 02.12.02 в Гомельском государственном университете им. Ф. Скорины (246699,г. Гомель, уд. Советская, 104).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Гомельского государственного университета им. Ф. Скорины.

Автореферат разослан » » ииьрпиа> 1997 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций А. Н. ГОДЛЕВСКАЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Ащ.шъность теш диссертации

Как известно, многие элемента современной электронной техника включают многослойные структуры, содержащие подложки цз естественно гиротропных п магнитоактивныг кристаллов, таких, например, как кварц (Ь'Ш2), германат висмута (3i12Geö20), силикат висглута (31^310,Q), Йодат лития (Ш03) и др. До настоящего, времени исследований слоистых образцов фотоакустическим методом производились без учета эффектов гиротропш, наличие которой привода? к сушвственши особенностям Формирования фотоакустического сигнала. Известные упрошенные теоретические модели описания фотоакустического эффекта, уделявшие основное внимание тепловым з акустическим явлениям, оставляли без внимания оптические аспекты фотоакустического преобразования. Однако именно оптические свойства веществ (в частности, вынужденная и естественная оптическая активность и циркулярный дихроизм) очень чувствительны даже к незначительным изменениям их молекулярного строения и iai37 ценвуа информацию о тончайших деталях внутренней структуры криста^он-

Kai; показывает анализ литературы, до настоящего времени при изучении фотоакустического преобразования гиротропных сред не учитывались граничные эффекты и многолучевая интерференция внутри слоистых систем, влияние оптических эффектов, обусловленные ' наличием внешнего магнитного поля. Тем не менее имеется возможность учета названных эффектов, базирующаяся на строгом решении граничных задач электродинамики с использованием ковариантных методов прямого тензорного исчисления, разработанных Ф.И.Федоровым и его учениками. При этом особый интерес представляет такгэ изучение возможности применения различных методов для регистрации фотоакустического сигнала.

Таким образом, применение высокочувствительных методов фотоакустической спектроскопии для исследования слоистых и неоднородных гиротропных структур представляется важной задачей и требует построения точных теоретических моделей, позволяющих описать всв совокупность происходящих физических явлений и учесть влияние тонких эффектов гиротропии на формирование фотоакустического сигнала.

Связь работ с крупными тучныли програллали, телажи

Представленные в диссертации результаты исследования выполнялись в рамках Республиканской программы фундаментальных исследований "Разработка проблем генерации, взаимодействия с веществом и использование лазерного излучения" ("Лазер 3") по теме: "Исследование электромагнитных, фотоакустических и магнитооптических взаимодействий в анизотропных и периодически неоднородных средах" ("Лазер 3.15"). Результаты работы вошли в содержание научных отчетов по госбюджетным темам "Взаимодействие потоков излучения со средами различного физического строения и формирование лазерных пучков заданной геометрии" ("Оптика 2.27", * ГР 01.86.0012771) и "Фототермоакустическая спектроскопия гиротроп-ных сред" (ГШ'92-03, * ГР 01.92.0004641).

Цель и задет, исследования

Целью настоящей работы является развитие последовательной теории фотоакустического преобразования в слоистых и пространственно неоднородных средах, обладающих естественной или вынужденной гиротрошей, при различных способах возбуждения и методах регистрации фотоакустического сигнала.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Рассчитана диссипация энергии на основании строгого решения граничных задач электродинамики для естественно гиротроп-ной и магнитоактивной двухслойной кристаллической среды.

2. Исследованы особенности фотоакустического преобразования при встречно-лучевом взаимодействии световых волн в естественно гиротропном и магнитоахтивном двухслойниках при газомикрофонном методе регистрации сигнала.

3. Изучено влияние оптических, дихроичных, геометрических и теплофизических свойств образца, а также поляризационных характеристик ладящего излучения на формирование фотоакустического сигнала в слоистых структурах с естественной и вынужденной гиро-тропией.

4. Исследовано фотоакустическое преобразование в нелинейных пьезоэлектрических слоистых естественно гцротропных и мапштоак-тивных средах.

Научная новизна полученных результатов

Впервые рассмотрены особенности формирования фотоакустического сигнала в естественно гиротропных и магнитоактивных двухслойных кристаллических средах на основании точного решения граничных задач электродинамики. Теоретические исследования фотоакустического эффекта выполнены с учетом многолучевой интерференции внутри слоистых структур, влияния оптических эффектов, обусловленных естественной и вынужденной гиротропией.

Исследование фотоакустического преобразования проведено для случая газошпсрофонного. пьезоэлектрического.и фатодефлекционно-го методов регистрации результирующего сигнала в слоистых естественно гиротропных и магнитоактивных средах. Показана возможность определения параметров циркулярного дихроизма (естественного и магнитного) в слоистой структуре по экспериментальному измерению амплитудно-фазовых характеристик фотоакустического сигнала, соответствующих право- и левоциркулярно поляризованным падающим волнам.

Впервые теоретически исследовано фотоакустическое преобразование в слоистых кристаллических средах с естественной и вынужденной гиротропией при встречном взаимодействии световых волн. Предсказан эффект подавления фотоакустического сигнала при изменении интенсивности одного из взаимодействувдих пучков. Предложен эффективный метод управления амплитудно-фазовыми характеристиками фотоакустического сигнала, основанный на изменениях величины внешнего магнитного поля, разности начальных фаз и состояния поляризаций взаимодействующих световых волн.

Практическая значимость полученных резулъшпоб

Полученные в диссертации теоретические результаты могут быть использованы при конструировании и расчетах фотоакустических приборов, в экспериментах по определению параметров поглощения и циркулярного дихроизма кристаллов с естественной и вынужденной гиротропией, а также для повышения разрешающей способности метода фотоакустической спектроскопии многослойных структур.

На основе результатов, касающихся исследования фотоакустического преобразования при встречном взаимодействии световых волн, могут быть предложены устройства для аффективного управле-

кия амшттудао-фазовыми характеристиками фотоакустического сигнала путем изменения величины внешнего магнитного поля, разности начальных фаз и состояния поляризаций взаимодествуших световых волн. .

В диссертации разработано защищенное авторским свидетельством оптико-акустическое устройство, предназначенное для отклонения лазерного пучка.

Экономическая знатность полученных результатов

Результаты исследования фотоакустического преобразования в слоистых, неоднородных естественно гиротропных и магнитоактивных средах могут представлять коммерческий интерес при выполнении опытно-конструкторских, научно-исследовательских работ, связанных с созданием лазерных оптико-акустических приборов, датчиков, дюрометров, сдактрополяриметров и т.д.

Основные положения диссертации, выносимые на защиящ

- обоснование необходимости учета влияния многолучевой интерференции тепловых волн на амплитудно-фазовые характеристики фотоакустического отклика в естественно гиротропных и магнитоактивных слоистых структурах при газомикрофонном методе регистрации результирующего сигнала;

- фотоакустический метод определения параметров циркулярного дихроизма (естественного и магнитного) слоистых сред и магнитоактивных е'- изотропных кристаллов;

- эффект подавления фотоакустического сигнала при встречном взаимодействии световых волн. в слоистых средах, обладающих естественной или вынувденной гиротрошей;

- метод управления амплитудно-фазовыми характеристиками фотоакустического сигнала, основанный на изменениях напряженности внешнего магнитного поля, разности начальных фаз и состояния поляризации взаимодействующих световых волн;

- способ повышения разрешающей способности фотоакустической спектроскопи в нелинейных пьезоэлектрических гиротропных слоистых структурах, основанный на резонансных явлениях.

Личный вклад соискапеля

Диссертация отражает личный вклад автора в разработку теории фотоакустического эффекта в слоистых средах с естественной "и вынузденной гиротропией. Научными руководителями А.Н.Сердшовым и Г.С.Ыитюричем осуществлялась постановка задач, общее руководство исследованиями, анализ и обсуждение результатов совместно опубликованных работ. В работах по теме диссертации автору принадлежит вывод основных формул, создание программного обеспечения, численные расчеты на ЭВМ и формулировка основных положений. Расчеты фэтодефяекционного сигнала в магнитоактивной кристаллической пластинке исследованы при участии EI.B. Астахова.

Апробация результатов диссертации

Основные результаты, полученные в ходе исследований по теме диссертационной работы, докладывались на: ежегодных Всесоюзных Федоровских научных сессиях (г. Ленинград, 1989, 1990 гг.), XIV Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и физической акустике твердого тела (г, Кишинев, 1989 г.), Всесоюзном семинаре "Оптика анизотропных сред" (г. Москва, 1990 г.). Всесоюзном научно-техническом семинаре "Низкотемпературные технологические процессы в электронике" (г. Ижевск, 1990 г.). Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн СДВ-10 (г. Винница, 1990 г.), Всесоюзном научно-техническом семинаре "Ультразвуковые и лазерные методы неразрушавдего контроля в науке и технике" (г. Клев, 1990 г.), II Международном конгрессе по современным достижениям в области азро- и структурного шума и вибраций (Auburn, USA, 1992 г.), II Польско - Украинском семиниаре "Современные материалы к композиты" (Madralln, Poland, t995 г.). Международной конференции по электродинамике хиральных, биизотропных и биани-зотропных сред "Chlral - 95" (Pennsylvania, USA, 1995 г.), IX Международной конференции по фотоакустическим и фототермическим явлениям (Nanjing, China, 1996 г.). Международном симпозиуме "Акустические методы испытания материалов" (Madralln, Poland, 1996 Г.).

Опублиаоватость результатов

Список основных работ по теме диссертации включает 14 наименований, в тем числе 7 статей в журналах и сборниках международных конференций: и I авторское свидетельство.

Структура и объел диссершсщии

Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, выводов, трех приложений и списка использованных источников, содержащего 148 наименований (13 страниц). Общий объем диссертации составляет 168 страниц. Иллюстрации занимают 55 страниц, приложения - 20 страниц.

I

. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан обзор основных фотоакустических (ФА) методов исследования слоистых и пространственно неоднородных конденсированных сред. Показано, что используемые при этом теоретически е модели описания ФА эффекта не могут быть использованы для сред с естественной и вынужденной гиротропией, которые являются объектом исследования в настоящей работе.

Во второй главе рассмотрено ФА преобразованна в естественно гиротропных слоистых средах в рамках метода газомикрофонной регистрации ФА сигнала с использованием теоретической модели, базирующейся на феноменологической теории гиротропных сред, предполагающей последовательное решение трех, связанных задач: оптической, тепловой и акустической.

Исследованы особенности формирования ФА сигнала в двухслойном, образце, оба слоя которого представляют собой естественно гиротропные поглощающие кристаллы, при учете многолучевой интерференции внутри слоев. Рассчитанные амплитудные и фазовые характеристики ФА сигнала зависят от оптических, теплофизических и геометрических параметров гиротропного двухслойника, подложки и детекторного газа, а также поляризационных и энергетических характеристик падающего излучения. В некоторых частных случаях оказалось возможным аналитическое исследование амплитудно-фазовых характеристик ФА сигнала. Например, получены аналитические выражения для амплитуды и фазы ФА отклика от слоистого образца, первый слой которого является оптически прозрачным и термически толстым, а второй - оптически непрозрачным й термически толстым, в случае циркулярной поляризации падающего излучения. Полученное в работе выражение абсолютного значения разности ФА сигналов для право- и левощфкулярна поляризованных падающих волн явно зависит от параметра циркулярного дихроизма 7" первого слоя.

Установлено, что в естественно гиротропной двухслойной структуре в вследствие многолучевой интерференции внутри слоев имеет место сложная осцилляциояная зависимость ашлитуда ФА сигнала от толщины первого слоя. С ростом толщины слоя до значений, сравнимых с длиной термической диффузии, происходит сглаживание осцилляций и насыщение амплитуды ФА сигнала, т.е. реализуется случай фа непрозрачности. В области низких (до 200 Гц) частот зависимость амплитуда ФА сигнала от частоты модуляции П имеет четко выраженный минимум при О = 49 Гц, за который ответственна интерференция волн, отраженных от внутренних границ слоистого образца. Исследованы особенности формирования фа сигнала а двухслойной структуре, состоящей из гиротропной пленки, нанесенной на слой, вырезанный из оптически активного кубического кристалла. Показано, что зависимость амплитуды фа сигнала от толщины двухслойной гиротропной структуры пленка - кристалл, имеет характерную особенность при толщине, совпадавдей с длиной термической диффузии. Наличие экстремума амплитуды ФА сигнала обусловлено переотракением тепловых волн от границы кристалл - пленка, а характер экстремума определяется положением интерференционного максимума темпера-

отн.ед.

Я

10-105, Вт/м2

Рис.1. Зависимость амплитуда ФА сигнала от интенсивности Х0

I - Д<р=0» 2 - Д<р=*/4, 3 - А(р=%/2

турного поля, зависящим от соотношения тепловых импе-дансов элементов слоистой структуры.

Рассмотрены особенности-ФА преобразования в естественно гиротропном двухслой-нике при встречном взаимодействии электромагнитных волн с учетом интерференционных вкладов каадого слоя в диссипацию энергии.

В зависимостях амплитуда ФА отклика от интенсивности (10) одной из взаимодействующих волн (рис.1.) обнаружен эффект полного подавления ФА сигнала . При атом

положение минимума определяется разностью начальных фаз Дер встречных световых волн и величиной интенсивности другой взаимодействующей волны. Изменение частоты модуляции падающего излучения не влияет на положение экстремума, но сказывается на величине ФА сигнала.

Установлено, что амплитуда ФА сигнала при варьировании величины реальной части параметра гирации , ответственного за удельное вращение плоскости поляризации, может изменяться на несколько порядков. Столь высокая чувствительность ФА сигнала к изменениям реальной части параметра гирации позволяет управлять его амплитудными и фазовыми характеристиками.

Третья глава' посвящена исследованию ФА преобразования в слоистых структурах с вынужденной гиротропией.

Исследован ФА эффект в магнитоактивном поглощающем кубическом кристалле с учетом граничных эффектов. Для расчета величины ФА отклика использован метод фотодефлекционной спектроскопии.

Доказано влияние состояния поляризации падающего пучка на величину углов дефлекции. Обоснована возможность определения параметра магнитного циркулярного дихроизма по экспериментально измеренной разности углов дефлекции, соответствующих право- и левоциркулярно поляризованным падающим пучкам.

Рассмотрены особенности возбуждения термоакустических волн в двухслойной поглощающой магнитоактивной структуре пленка -кристалл. Скорость диссипации энергии в магнитоактивном поглощающем даухслойнике рассчитана на основе строгого решения граничной задачи электродинамики с использованием материальных уравнений „

в = (е + 1С ) в,

В = цН (ц=1), (I)

описывающих эффект Фарадея. В (I) С* - антисимметричный тензор второго ранга, дуальный вектору магнитной гирации б, действительная часть которого Де С = С описывает удельное вращение плоскости поляризации, а мнимая (1т. С = С") - ответственна за магнитный циркулярный дихроизм.

Скорость диссипации энергии в слоях С^1 ^ и С*2 ^ определятся соотношениями:

[у±егр(-а±х) + ¡7±егр(а+х)+йг+соар^-п/1±х|1, (2)

В (2) и (3) введены обозначения

7± = (е* ± ср |ВА«0±|2, а1= * |г,

Г± = (е- ± С') М±Р±80±|2, (е- * С') |^Х0±|2.

2и 2ш

|г± = и±гве[в±). в± = а± - — р± --

с с

С, и С* - параметры магнитного циркулярного дихроизма пленки и подложки соответственно. Соотношения (2) и (3) получены с точностью до членов первого порядка малости по параметрам гирации и содержат слагаемые, ответственные за многолучевую интерференцию внутри слоистого образца. Наличие дополнительных слагаемых в (2) и (3) по сравнению с выражениями для диссипации энергии в естественно гиротрогаюм двухслойнике обусловлено проявлением эффектов невзаимности в магни то активной среде.

Показало, что при толщине пленки с?,, равной длине термической диффузии , наблюдается скачок ФА отклика, обусловленный отражением тепловой волны от границы двухслойника (рис.2.). Перераспределение тепловых полей в системе пленка - кристалл - подложка при разных соотношениях тепловых параметре:: да компонентов слоистой структуры неодинаково влияет на амплитудно-фазовые характеристики ФА отклика. Так, в случае, когда тепловые импедансы подложки и кристалла близки, а теплопроводность пленки значительно меньше, чем для крис-

<1, ,мкм

Рис.2. Зависимость амплитуды ФА сигнала от толщины пленки при различит соотношениях тепловых параметров магнитоактивного двухслойника и подложки фа ячейки

таяла с Ьдг, йв'г » йв1), наблюдается резкое возрастание амплитуды ФА сигнала при экстремальной толщине пленки (кривые I, 2,3). Этот эффект объясняется переотражением тепловых волн от границы кристалл - пленка и возникновением при <1, = с* ^ интерференционного максимума температурного поля. Если же подложка и кристалл существенно различаются по тепловым свойствам (Ъ » I, кь » &а2), а теплопроводность пленки по отношению к кристаллу возрастает, то происходит изменение характера экстремума: амплитуда ФА сигнала минимальна (кривые 4,5,6). Причиной этого является увеличение тепловой прозрачности границы пленка - кристалл.

Осциллирующий характер амплитудной зависимости, проявляющийся при воздействии внешнего магнитного поля на слоистую структуру, обусловлен эффектом дихроичной невзаимности встречных изонормальных волн. Период осцилляций зависит от длины волны падающего излучения.

Исследован ФА эффект в магнитоактивных поглощающих кристаллах, в которых возможно существование линейного дихроизма в отсутствие линейного двупреломления на частоте пересечения дисперсионных кривых главных значений е'0 и е^ вещественной части тензора диэлектрической проницаемости (е'-изотропный кристалл). Это имеет место, например, в случае, если в "а'-изотропной точке" для оптических параметров кристалла выполняется соотношение вд = - е0(1 + 2(А), где д - параметр линейного дихроизма.

Для магнитоактивных кристаллов с высокой диэлектрической проницаемостью (5 ™ ю4-ю5) параметр магнитного циркулярного дихроизма С* выражен в явном виде через разность амплитуд ФА сигналов, соответствующих право- и левоциркулярно поляризованным падающим' волнам: ■

¿<? = 1<?+ - <7_Г = -г" гу£/2(пС'). (4)-

7 Р

Здесь ае. =-—; Р., Тп, а - начальные давление, темпера-

0 -ГГа I Тп 0 ° * его

тура и коэффициент термической диффузии детекторного газа; 70 -показатель адиабаты; I ' - длина газового столба; п - волновая нормаль.

Таким образом, измерив экспериментально амплитудно-фазовые характеристики ФА сигнала, можно решить задачу определения параметров поглощения и дихроизма магнитоактивных £'- изотропных кристаллов средних сингоний, а по результатам измерения фазы ФА

сигналов - найти параметр линейного дихроизма &.

При анализе общих

отн.ед.

Рис.3. Зависимость

360 ф0, град, амплитуды ФА

выражений для амшштудно-фазовых характеристик обнарукена гармоническая зависимость амплитуды ФА сигнала от азимута ф0 падающей световой волны. Показано, что максимумы амплитуды для волн, распространяющихся перпендикулярно (8 = я/2) и параллельно оптической оси кристалла (б = 0), могут существенно отличаться и находятся в противофазах (рис. з.). Отмеченные особенности объясняются различием условий проявления эффектов линейного и циркулярного двупогло-щения и дают возможность для управления ФА сигналом путем модуляции азимута падающего светового пучка.

Исследованы особенности формирования ФА отклика в магнито-активной двухслойной структуре при встречном взаимодействии световых волн.

В отличие от естественно гиротропной среды, в магнитоактив-ном двухслойнике эффект подавления сигнала может быть полным или частичным, в зависимости от соотношения тепловых импедансов слоев магнитоактивной структуры. Причиной подавления ФА сигнала является интерференция встречных тепловых волн внутри даухслой-ника, приводящая к смещении максимума температурного поля от границы образец - детекторный газ вглубь образца на расстояние, больше длины его термической диффузии, при этом эффективного возбуждения сигнала не происходит. При изменении интенсивности световой волны до значений, при которых максимум амплитуды температурного поля смещается на расстояние, равное или меньшее длине термической диффузии, амплитуда ФА сигнала возрастает.

сигнала от азимута ф0 падающей световой волны

I - 9=х/2, 13=0; 2 - в=%/2, Ъ=тс/2; 3 - 6=0, -9=0

отн.ед

360 Дф, град.

Рис.4. Зависимость амплитуда ФА сигнала от разности начальных фаз Дф взаимодействующих волн (г=0)

I -

V 0;

2

♦I; 3 - V -I

Как и в случае естественно гиротропной среды, в магнитоактивном двухслойнике амплитуда ФА сигнала зависит от состояния поляризаций взаимодействующих световых волн (рис.4.).

При изменении параметра С', определяющего удельное вращение плоскости поляризации в магнитном поле, амплитуда ФА сигнала может возрастать на несколько порядков. Экстремальное значение амплитуда при 4мксированной величине С достигается подбором разности фаз, эллип-тичностей взаимодействующих сватовых волн и частоты их амплитудной модуляции. При

этом сближение значений импедансов слоев образца приводит к увеличению абсолютного значения результирующего сигнала.

Четвертая глава посвящена пьезофотоакустической спектроскопии слоистых е неоднородных гиротропных структур.

Рассмотрена пьезоэлектрическая детекция ФА сигнала в естественно гиротропном двухслойнике с использованием пьезоэлектрического преобразователя продольных объемных волн, находящегося в акустическом контакте с образцом. В ходе анализа полученных результатов выявлено наличие резонансных явлений в системе двухслойно: - пьезопреобразователь и даны условия определения резонансных частот.

Установлено, что частотная зависимость ФА отклика для различных поляризаций падающего света (т = ±1) и значений параметра циркулярного дихроизма первого слоя имеет экспоненциальный характер для обеих циркулярных поляризаций падающих световых волн, а величина параметра циркулярного дихроизма 7} существенно влияет на поведение амплитудных характеристик ФА сигналов.

Исследовано ФА преобразование в гиротропном пьезоэлектрическом кристалле, помещенном во внешнее магнитное поле, в гирот-

ропной нелинейной пьезоэлектрической двухслойной среде с учетом отражения световых волн внутри слоев, а также в нелинейных пьезоэлектрических слоистых структурах. Во всех рассмотренных здесь случаях исследуемый образец являлся одновременно и детектором ФА сигнала..

Кривая зависимости амплитуды ФА сигнала от толщины первого слоя пьезоструктуры имеет место четко выраженный минимум, положение и величина которого зависят от соотношений' тепловых импе-дансов элементов двухслойника.

Отношение тепловых сопротивлений слоев весьма существенно влияют на характер резонансов в зависимостях амплитуды ФА сигнала от частоты модуляции падающего сЕета. С увеличением различия тепловых активностей амплитуда ФА сигнала возрастает; одновре-?гегага происходят сдвиг резонансных паков, величина которого зависит от условий нагружения граничных поверхностей. ФА сигнал достигает максимальных значений при зажатии фронтальной поверхности кристаллической структуры. Именно такие условия необходимы для наиболее эффективного измерения амплитудно-фазовых характеристик ФА отклика, а обнаруженные резонансные явления могут быть использованы для повышения разрешающей способности метода ФА спектроскопии при исследовании гиротропных нелинейных пьезоэлектрических слоистых структур.

В приложениях приведены обозначения, принятые при определении разности потенциалов в естественно гиротропном и нелинейном пьезоэлектрическом двухслойниках. Описан ФА метод сканирования лазерного излучения, защищенный авторским свидетельством.

ВЫВОДЫ

I. В двухслойной структуре, состоящей из естественно гиротропных поглощающих кристаллов, в результате многолучевой интерференции внутри слоев наблюдается сложная осцилляционная зависимость амплитуды фотоакустического сигнала от толщины первого слоя. Обнаружено, что с ростом толщины слоя до значений, сравнимых с длиной термической диффузии, происходит сглаживание осцилляция и насыщение амплитуды фотоакустического сигнала. Предложен метод определения параметра ' циркулярного дихроизма слоистой структуры по измерению амплитудных откликов, соответствующих право- и левоциркулярно поляризованным падающим волнам.

2. Зависимость амплитуды фотоакустического сигнала от толщины двухсловной гиротрапной структуры (пленка - кристалл), имеет характерную особенность при толщине, совпадающей с длиной термической диффузии. Установлено, что экстремум амплитуды фотоакустического сигнала обусловлен переотражением тепловых волн от границы кристалл - пленка, а изменение характера экстремума связано со смещением интерференционного максимума температурного поля в зависимости от соотношения тепловых параметров (импедан-сов) элементов слоистой структур». При воздействии внешнего магнитного поля на слоистую структуру осцилляционный характер амплитудной зависимости обусловлен проявлением эффектов дихроичной невзаимности изонормальных волн, распространяющихся в противоположных направлениях.

3. функциональные зависимости амплитуды. фотоакустического сигнала от параметров циркулярного дихроизма (естественного и магнитного) носят линейный характер, который остается неизменным для различных состояний поляризации света, что позволяет использовать метод фотоакустической спектроскопии для определения параметров циркулярного дихроизма!

4. Предсказан эффект полного подавления фотоакустического сигнала при встречном взаимодействии, двух световых волн в двухслойной структуре с естественной или вынужденной гиротропией, который зависит от разности начальных фаз, интенсивностей взаимодействующих волн и частоты модуляции. Установлено, что для двухслойной магнитоактивяой структуры, в отличив от естественно гиротропной, подавление фотоакустического сигнала может быть как полным, так и частичным, что определяется соотношением тепловых импедансов слоев магнитной структуры и напряженностью внешнего магнитного поля.

5. Обнаружена гармоническая зависимость амплитуда фотоакустического сигнала в магнитоактивном е'-изотропном кристалле от азимута падающей линейно поляризованной световой волны. Показано, что вследствие анизотропии дихроизма максимумы амплитуды фотоакустического отклика для световых волн, распространяющихся перпендикулярно и параллельно оптической оси кристалла, могут существенно отличаться. Предложены: метод управления амплитудой фотоакустического сигнала, основанный на модуляции азимута падающей световой волны; метод определения параметров поглощения и дихроизма магнитоактивных е'-изотропных кристаллов средних син-

гоний по амплитудно-фазовым характеристикам фотоакустического сигнала, соответствующих правой и левой круговым поляризациям паданцих. волн.

6. Для гиротропной нелинейной пьезоэлектрической двухслойной структуры кривая зависимости амплитуды фотоакустического сигнала от толщины первого слоя имеет экстремум, при этом величина минимума амплитуда фотоакустического сигнала определяется соотношением тепловых импедансов каждого слоя. "При совпадении толщины первого слоя с длиной термической диффузии реализуется случай фотоакустической непрозрачности пьезоструктуры. С увеличением тепловых импедансов слоев амплитуда фотоакустического сигнала возрастает; при этом сдвиг резонансных пиков, обусловленных изменением частоты модуляции падающей волны, определяется условиями нагружения граничных поверхностей двухслойника.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Митюрич Г.С., Свиридова В.В., Сердюков А.Н. Исследование гиротропных слоистых структур фотоакустическим методом // XIV Всесовзн. конф. по акустоэлектронике и физической акустике твердого тела: Тез. докл.-Кишинев, 1989. - Т.2. - С. 172-173.

2. Митюрич Г.С., Свиридова В.В., Сердюков А.Н. Фотоакустическая спектроскопия гиротропных слоистых образцов // ЖПС. -1990. - Т. 53, » 4. - С. 6II-6I7.

3. Гиргель С.С..Свиридова В.В., Сердюков А.Н. Световые волны в оптически активных кристаллах с эффектом Фарадея // Волны и дифракция - 90. - М.:Физ.общ-во СССР, - 1990. - Т.2. - С. 78-81.

4. Фотоакустическая спектроскопия магнитоактивнхых много-слойников / Г.С.Митюрич, С.С.Гиргель, В.П.Зеленый, В.В.Свиридова, А.Н.Сердюков // Низкотемпературные технологические процессы в электронике: Тез.докл. Всесоюзн.науч.-техн. семинара 4-7 июня 1990 Г. - Ижевск, 1990 - С. 141.

5. Пьезоэлектрическая детекция фотоакустического сигнала в гиротропных многослойных структурах / Г.С.Митюрич, С.С.Гиргель, В.П.Зеленый, В.В.Свиридова, А.Н.Сердюков // Низкотемпературные технологические процессы в электронике: Тез. докл. Всес. научн.-техн. семинара. - Ижевск, 1990.. - С. 142.

6. Гиргель С.С.,Свиридова В.В., Сердюков А.Н. Световые волны в оптически активных кристаллах с эффектом Фарадея // Кристаллография. - 1991. - Т. 36, » 6. - С. 1572-1573.

7. Ыитюрич Г.С., Свиридова В.В., Сердюков А.Н. Фото акустический метод исследования эффектов невзаимности гиротройных сред // Ультразвуковые и лазерные методы неразрушавдего контроля в, науке и технике: Тез. докл. Всес. научн.-техн. конф. - Киев, 1991. - С.29-31.

8. Фотоакустическое преобразование в магнитоактивных е-изотропных кристаллах / Г.С.Ыитюрич, С.С.Гиргель, В.В.Свиридова, А.Н.Сердюков // Ультразвуковые и лазерные методы неразрушаю-щего контроля в науке и технике: Тез. докл. Всес. научн.-техн. конф. - Киев, 1991. - 0.31-34.

9. Photoacoustlc method Qf the determination of amplitude non-reclprocalness In gyro tropic. media / G.S.Mltyurich, V.P.Zelyony, V.V.Svlrldova, A.N.SerdyuKov // Second Int.Congress on Recent Developments In Air - and Structure-Borne Sound and vibration. - Auburn, 1992. - Vol. 2. - P. 845-846.

10. Ai c. I776I43 СССР, G 02 P 1/33. Устройство для отклонения лазерного пучка / Г.С. Митюрич, В.В. Свиридова, В.П. Сер-гиенко, А.Н. Сердюков. - Л 4606932/25; Заявлено 21.II.88; Опубл. 15.07.92. - 4 с.

11. Photoacouatlc spectroscopy of magnetoactlve layered structures / G.S.Mltyurlch, P.V.Astakhov, V.V.Svlrldova, A.N.Se-rdyukov, J.Ranachowskl // Pol.Cerman.Bul.9. Ceramics 47. - Krakow, 1995. - P. 217-230.

12. Photoacoustlc transformation under the Interaction of opposing light waves In magnetically active doublelayer G.S.Mltyurlch, V.V.Svlrldova, V.P.Zelyony, A.N.Serdyutov // Proc. 4th Int.Conf. on Chlral, Bl-lsotropic and Bl-anisotroplc media, CHI-RAL'95. - Pennsylvania, 1995. - P. 157-160.

13. Photoacoustlc transformation in tunnel electromagnetic-Interference conditions / G.S.HItyurlch,V.P.Zelycny, V.V.Svlrldova, A.N.Serdyukov // Proc.9th Int.CcnT. Photoacoustlc and photothermal Phenomena, June 27-30.- Nanjing, 1996. - P. 275-276.

14. Г.С.Ыитюрич, В.В.Сшридова, А.Н.Сердшов. Фотоакустическое преобразование в нелинейных пьезоэлектрических слоистых структурах // Int. Sympoa. Acoust. methods in material testing. - Warsawa, Madralln, 1996. - P. 114-120.

газшв

СМрвдава ЕедянШла Уладз1а1рауна СОТДЛКУСТЫЧКДЯ СПЕКТРАШПШ СЛА1СТЫХ I Г1РАТГСШйй Та1Р0ДЦЗЯУ

Котавыя словн! ПратраШя, гфэк? Фарадэя, цнркулярны днх-рз!зм, фстаакустнчная спектраскаШя, слаютыя 1 неаднародныя асяроддз!, ы*езаэлехтрычныя крыттал1.

26'ектам деследавання з*яз1уся фстаакустычны эфект у слаЛстых 1 прасторава неаднародннх г1ратропных асяроддзях.

АсноУныя мэты работы: вазв1ице паслядоунай тэоры! фотаакустычнага пераутварэння у слаастых 1 прасторава неаднародннх асяроддзях, як!я валодаюць натуральная ц1 вымушанай г1ратрап1яй, пры розных спосабах узбудаэння 1 метадах рзг1страцы1 фотаакустычнага с1гналу; даследаванне асабл1васцей фотаакустычнага пераутварэння пры сустрэчна-прамяневым узаемадзеянн! светлавых хваль у Пратропных двухслойных структурах.

У разлисах выкарыстана тзарэтычная мадэль фотаакустычнага а^кту, якая грунтуецца на строг!» рааэнн! гран1чных задач элек-тр2лжам1к! з выкзрыстаннем каварыянтных нетадау прамога тэнзар-игга вол1чэння, распрацаваных <5.1. Федаравым.

У дасэртацы! уперсшню разгледааны асабл1васц1 фарм1равання (¡г.грАкустьчнага сигналу у натуральных Пратропных 1 магн1таак-тцуных двухслойных !фыштал1чных асяроддзях з ул!кам шматпрамяне-га<л 1нтзраэрэнцы1 унутры сла1стых структур,а таксама уплыву ап-тичных зфектау, абумоуленых натуральней 1 вымушанай г!ратрап1яй. Наказана ¡аагчымасць вызначэння дараметрау цыркулярнага дахра1зму (натуральнага 1 магн1тнага) сла1стага асяроддзя метадам1 фота-акустычнай спектраскапИ. йтершыню даследаваяа фотаакустычнае пераутварэнне у сла!стых г1ратропных асяроддзях пры сустрэ'здым узаемадзеянн1 светлавых хваль. Лрадказыны эфект падаулення фотаакустычнага с1гналу пры змене 1нтэнс1Унасц1 аднаго з узаемадзей-ных пучкор. Праяанаваны метад к1равання ашл1тудна-фазавым1 характеристикам! фотаакустычнага с1гналу, заснаваны на змяненнях ввМчш! знешняга магнЛтнага поля, рознасц! пачатковых фаз 1 станау палярызацы! узаемадзейных светлавых хваль.

Атрыманныя вын1к1 могуць быць выкарыстыны пры распрацоуцы элементнай базы аптычнага прыборабудавання 1 павышэння магчымас-цей метаду фотаакустычнай спектраскапИ.,

РЕЗКИЕ

Свиридова Валентина .Владимировна ФОТОАКУСТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ СЛОИСТЫХ И НЕОДНОРОДНЫХ ГИРОТРОПШХ СРЕД

Ключевые слова: гиротрошя, циркулярный дихроизм, эффект Фарадея, фотоакустическая спектроскопия, слоистые и неоднородные среды, пьезоэлектрические кристаллы.

Объектом исследования явился фотоакустический эффект в слоистых и пространственно неоднородных гиротропных средах.

Основные цели работы: развитие последовательной теории фотоакустического преобразования в слоистых и пространственно неоднородных средах, обладающих естественной или вынужденной.гиро-тропией, при различных способах возбуждения и методах регистрации фотоакустического сигнала; исследование особенностей фотоакустического преобразования при встречно-лучевом взаимодействии световых волн в гиротропных двухслойных структурах..

В расчетах использована теоретическая модель фотоакустического эффекта, базирующаяся на строгом решении граничных задач электродинамики, с применением ковариантных методов прямого тензорного исчисления, разработанных Ф.И. Федоровым.

В диссертации впервые рассмотрены особенности формирования фотоакустического сигнала в естественно гиротропных и магнитоактивных двухслойных кристаллических, средах с учетом многолучевой интерференции внутри слоистых структур и влияния оптических эффектов, обусловленных естественной и вынужденной гаротрошей. Показана возможность определения параметров циркулярного дихроизма (естественного и магнитного) слоистой среда методом фотоакустической спектроскопии. Впервые исследовано фотоакустическое преобразование в слоистых гиротропных средах при встречном взаимодействии световых волн. Предсказан эффект подавления фотоакустического сигнала при изменении интенсивности одного из взаимодействующих пучков. Предложен метод управления амплитудно-фазовыми характеристиками фотоакустического сигнала, основанный на изменениях величины внешнего магнитного поля, разности начальных фаз и состояний поляризаций взаимодействующих световых волн.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке элементной базы оптического приборостроения и повышения разрешающей способности метода фотоаку стиче ской спектроскопии.

SUMMARY

Svtridova Valentina Vladlmlrovna PHOTOACOUSTIC SPECTROSCOPY OP LAYER AND HETEROGENEOUS GYROTROPIC MEDIA

Key words: gyrotropia, circular dichroism, Faradey effect, photoacoustlc spectroscopy, layer and heterogeneous media, plezoelecyrlc crystals.

The object of Investigation Is the photoacoustlc effect In layer and spase heterogeneous gyrotroplc media.

The main purposes of the paper are: development of consecutive theory of photoacoustlc transformation in layer and spase heterogeneous media having natural or forced gyrotropia at different ways of excitation and methods of registration of photoacoustlc signal; studying of peculiarities of photoacoustlc transformation at reciprocal-beam Interaction of light waves in gyrotroplc doublelayer structures.

While making calculations theoretical model of photoacoustlc effect was used that wag based on strict solving of border electrodynamic tasks with the use of covariant methods of stralngt tensor calculation worked out by P.I. Pedorov.

In the thethls there are studied for the first time the peculiarities of photoacoustlc signal creation In the natural gyrotroplc and magnetoactive doublelayer crystal media taking into account polybeam Interference Inside the layer structures, influences of optical effects, conditioned by natural and forced gyrotropia. The possibility of defining the parameters of circular dichroism (natural and magnetic) of layer media by the method of photoacoustlc spectroscopy is also shown, for the first time It was studied the photoacoustlc transformation in layer gyrotroplc media at reciprocal interaction of light waves. The effect of suppression of photoacoustlc signal at changes of Intensity of one of the interacting beams is predicted. The method of managing the amplitude and phase characteristics of photoacoustlc signal is proposed that is based on the changes of the amount of outer magnetic field, difference of initial phases and the state of polarization of interacting light waves.

The results obtained could be used when working out the and element of optical instrim ent-maklnglncreasIng the settling ability of photoacoustlc spectroscopy method.