Фотодефлекционная спектроскопия гиротропных и магнитоактивных сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Ф. СКОРИНЫ

РГб ОД

УДК 534.341 2 2 ш 2000

Астахов Павел Владимирович

ФОТОДЕФЛЕКЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ГИРОТРОПНЫХ И МАГНИТОЛКТИВНЫХ СРЕД

01.04.05 - оптика

Аитореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Гомель,2000

Работа выполнена в Гомельском государствешюл1 университете им. Ф. Скорины

Научный руководитель: . доктор физико-матема тических наук,

старший научный сотрудник Г.С. Митшрич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник А.Г. Хаткевнч

доктор физико-математических наук, профессор И.В. Ссмченко

Оппонирующая организация: Академический комплекс

«Инст и тут тепло и массообмснп им. А.В. Лыкова» ИЛИ Беларуси

Защита состоится «12» мая 2000 г. в «13^» часов на заседании совета по защите диссертаций К 02.12.02 в Гомельском государственном университете им. Ф. Скорины (246699, г. Гомель, ул. Советская, 104: тел. (0232)-57-79-97). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГГУ им. Ф. Скорины.

Автореферат разослан « 0 » ОуМ^'/ЬС,.

2000 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций М А.Н.Годлевская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ

Современные фототермические методы, разработанные для исследования конденсированных сред, являются бесконтактными, неразрушаюгцими и позволяют успешно решать широкий спектр научных и прикладных задач. Определение оптических, тепловых и акустических характеристик различных объектов, изучение кинетических и релаксационных процессов, микроскопия подповерхностных слоев, дефектоскопия и дистанционный контроль -вот далеко не полный перечень возможностей применения фототермической спектроскопии. А использование при исследованиях лазерных источников света позволяет совершить переход на качественно более высокий уровень измерения и существенно повысить чувствительность и разрешающую способность методов.

Высокая эффективность одного из наиболее распространенных фототермических методов - метода фотодефлекционной спектроскопии была продемонстрирована при определении* характеристик объектов, находящихся в различных агрегатных состояниях (как прозрачных, так и обладающих значительным поглощением), в широком спектральном диапазоне: от инфракрасной области до ультрафиолета [1,2]. Все чаще фотодефлекционная спектроскопия находит применение при изучении диссипативных, тепловых и нелинейных свойств естественно гиротропных и магнитоактивных сред. При исследовании дихроичных гиротропных сред фотодефлекционным методом возможно измерение поглощателыюй способности образцов с точностью

— 7 _а _1

«10 ' -МО 7 см . Достоинством фотодефлекционной

спектроскопии является и то, что она обеспечивает практически безынерционную регистрацию оптически возбуждаемых температурных полей.

Современное развитие фототермической спекгроскопии происходит на стыке нескольких областей физики и предполагает взаимно согласованное связанное решение оптической и теплофизической задач. Тем не менее, при рассмотрении процессов фототермического преобразования часто используются упрощенные модели, не учитывающие должным образом влияния оптических свойств исследуемых объектов. Но именно оптические свойства вещества, особенно естественная и индуцированная внешним магнитным полем гиротропия, сильнее всего реагируют даже на незначительные изменения во внутренней структуре кристаллов и молекул. Более того, как показывает анализ литературы по данной

теме, до недавнего времени при использовании метода фотодефлекционной спектроскопии для исследования различных, в том числе и гиротропных сред, не принимались во внимание ни граничные эффекты, ни многолучевая интерференция собственных волн внутри исследуемого образца. Провести анализ и оценить вклад отмеченных эффектов в процесс формирования фотодефлекционного сигнала представляется возможным при использовании прямых бескоординатных методов тензорного исчисления для решения граничных задач феноменологической электродинамики. Именно с этой точки зрения в диссертации рассматриваются процессы формирования фотодефлекционного сигнала в гиротропных и магнитоактивных средах.

Таким образом, изучение формирования фотодефлекционного отклика и построение адекватных теоретических моделей, учитывающих все физические процессы, происходящие в оптически активных средах под воздействием электромагнитного излучения, ^является весьма актуальной задачей. Ее решение позволит значительно повысить чувствительность и точность уже существующих методов и откроет новые возможности для применения фототермической спектроскопии.

СВЯЗЬ РАБОТЫ С КРУПНЫМИ НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ,

ТЕМАМИ

Представленные в диссертации результаты исследования выполнены при поддержке «Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований», грант МР 94-16. Большая часть исследований диссертационной работы проведена в ходе выполнения госбюджетных тем ГБЦМ 92-03 «Фототермоакустическая спектроскопия гиротропных сред» (№ ГР 01.92.0004641), ГБЦМ 94-18 «Импульсная фотоакустическая спектроскопия нелинейных кристаллов», ГБЦД 95-02 «Импульсное оптическое возбуждение звука в гиротропных кристаллических структурах», ГБЦД 95-08 «Лазерная фотоакустическая спектроскопия гиротропных кристаллических структур», ГБЦМ 96-28 «Разработка технологических основ формирования покрытий на основе серебра электрохимическим методом при лазерном воздействии», ГБЦМ 96-18 «Фотоакустическое преобразование в условиях туннельной электромагнитной интерференции», а полученные результаты вошли в содержание научных отчетов но этим темам. Часть исследований, проведенных ъ диссертации, выполнена совместно с польскими коллегами и финансировалась в рамках совместных международных грантов.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью настоящего исследования является разработка метода лазерной фотодефлекционной спектроскопии для изучения естественно гиротропных и магнитоактивных сред, а также магнитных жидкостей.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. исследовать влияние оптических, дихроичных, геометрических и теплофизических свойств образца, а также фазовых, поляризационных и энергетических характеристик падающего излучения на механизм формирования фотодефлекционного сигнала;

2. развить теорию фотогермодефлекционной спектроскопии и рассчитать термические напряжения, возникающие в поглощающей слоистой системе под воздействием лазерного излучения, изучить возможность определения их величины на основе измерения амплитуды фотодефлекционного сигнала;

3. изучить физические аспекты формирования фотодефлекционного отклика гиротропной среды в условиях туннельной электромагнитной интерференции встречных световых волн.

ОБЪЕКТ И ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом теоретического исследования в диссертации является фототермическое взаимодействие в естественно гиротропных и магнитоактивных средах при их изучении методом фотодефлекционной спектроскопии.

МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для расчета электрических и магнитных полей в указанных средах использованы ковариантные методы электродинамики, разработанные Ф.И. Федоровым. Для решения систем дифференциальных уравнений, определяющих фотодефлекционный сигнал, и анализа процессов, связанных с его формированием, применялись методы математической физики, теория специальных функций и численные методы.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ЗНАЧИМОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Значимость и научная новизна представленных результатов заключается в том, что впервые проведено теоретическое исследование особенностей формирования фотодефлекционного сигнала в естественно гиротропных и магнитоактивных средах на основании точного решения граничных электродинамических задач и использования методов прямого тензорного исчисления. При этом:

- учтено влияние многолучевой интерференции собственных волн внутри исследуемых образцов и оптических эффектов, обусловленных естественной оптической активностью, на процесс возникновения фотодефлекционного отклика;

- теоретически рассмотрено формирование фотодефлекционного сигнала в гиротропных средах в условиях туннельной электромагнитной интерференции;

- предсказан эффект подавления переменной составляющей фотодефлекционного отклика за счет интерференционного перераспределения энергии в объеме исследуемого образца при изменении амплитудных характеристик одной из взаимодействующих волн;

- предложен способ измерения величины относительного линейног о дихроизма магнитных жидкостей основанный на импульсной фотодефлекционной спектроскопии;

- обоснована возможность определения фотодефлекционным методом температурных напряжений в двухслойной системе.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Рассмотренные в диссертационной работе особенности формирования фотодефлекционного сигнала в естественно гиротропных и магнитоактивных средах могут быть использованы при экспериментальном измерении параметров поглощения и циркулярного дихроизма естественно гиротропных и магнитоактивных кристаллов, а также при измерении относительного линейного дихроизма магнитных жидкостей. Результаты, относящиеся к определению упругих постоянных, напряжений и деформаций в двухслойных системах, могут найти применение для бесконтактного неразрушающего контроля тонкопленочных покрытий, а также при измерении сил взаимной адгезии в многослойных образцах.

Использование закономерностей, установленных при исследовании встречного взаимодействия световых волн в естественно гиротропных средах, позволит создать устройства для эффективного

управления амплитудными и фазовыми характеристиками фотодефлекционного отклика путем вариации энергетических параметров, состояния поляризации и разности начальных фаз взаимодействующих волн.

Разработанный на основе полученных в диссертации теоретических результатов пакет прикладных программ для персонального компьютера позволяет по расчетным данным определить оптимальный режим измерения амплитуды фотодефлекционного сигнала, и тем самым существенно уменьшить объем трудоемких экспериментальных измерений.

На основе результатов работы возможны как конструирование новых приборов для фотоакустической и фотодефлекционной спектроскопии, так и повышение чувствительности и разрешающей способности существующих приборов.

Результаты, полученные в ходе исследования процессов возникновения фотодефлекционного преобразования в естественно гиротропных и магнитоактиввых средах, могут представлять коммерческий интерес при реализации проектов, связанных с созданием различных оптико-акустических приборов, сиектрополяриметров, дихрометров, датчиков и т.д.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ. ВЫНОСИМЫЕ НА

ЗАЩИТУ

- эффект подавления переменной составляющей фотодефлекционного, сигнала при встречном взаимодействии световых волн в поглощающей гиротропной среде, возникающий за счет интерференционного перераспределения энергии в среде;

- способ эффективного контроля амплитудных и фазовых характеристик фотодефлекционного отклика посредством вариации энергетических, фазовых и поляризационных параметров возбуждающего лазерного излучения;

- метод измерения величины относительного линейного дихроизма магнитных жидкостей на основе импульсной поляризационной лазерной фотодефлекционной спектроскопии;

- бесконтактный способ определения величины термоупругих напряжений в системе «поглощающая гиротропная пленка -подложка» фотодефлекционным методом.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ

Диссертация отражает личный вклад автора в разработку фотодефлекционной спектроскопии сред с естественной и

вынужденной оптической активностью, а также сред с пространствешю-симметрийными особенностями. Научным руководителем Г.С. Митюричем осуществлялись постановка задач и общее руководство работой. Совместно с научным руководителем проводились анализ и обсуждение полученных результатов. В опубликованных по теме диссертации работах автору принадлежат вывод основных формул, создание необходимого программного обеспечения, численные расчеты и их анализ с использованием электронно-вычислительной техники, а также формулировка основных положений диссертации.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты, полученные в ходе исследований по теме диссертационной работы, доложены на:

- международной конференции «V Spring School on Acousto-Optics and Applications», 25-29 мая 1992, Польша;

- международной конференции «XXIV Winter School on Molecular and Quantum Acoustics», 2 февраля - 3 марта 1995, Польша;

- 4-ой международной конференции по киральным, биизотропным и бианизотропным средам «CHIRAL-95», 11-14 октября 1995, университет штата Пенсильвания, США;

- международной конференции «International workshop on modern acoustics», 4-7 сентября 1994, Китай;

международной конференции «8th International Topical Meeting on Photoacoustic and Photo thermal Phenomena», 22-25 января 1994, Франция;

- международной конференции «BLANISOTROPICS'97», 5-7 июня

1997, Великобритания;

- международной конференции «BIANISOTROPICS'98», 3-6 июня

1998, ФРГ;

- международной конференции «X International Conference on Photoacoustic and Phototliermal Phenomena», 23-27 августа 1998, Италия;

- заседаниях научного семинара кафедры оптики Гомельского Государственного университета им. Ф. Скорины.

ОПУБЛИКОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ

По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 10 статей в научных журналах и сборниках материалов международных конференций и 6 тезисов в материалах научных конференций. В общем списке литературы эти работы значатся под номерами 85, 88,98, 109, 119-124, 128-131, 133, 134.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, выводов и списка использованных источников. Полный объем диссертации составляет 133 страницы, из которых 34 страницы занято иллюстрациями, 11 - списком 134 использованных источников.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе дана общая характеристика фототермических и фоторефракционных методов исследования конденсированных сред и приведен обзор литературы, отражающий современный уровень методического обеспечения фототермических исследований таких сред.

Во второй главе диссертации выявлены особенности формирования фотодефлекционного отклика в естественно гиротропных и магнитоактивных средах и обсуждается .'возможность определения термических напряжений в слоистых системах методом фотодефлекционной спектроскопии.

В разделе 2.1 рассмотрено фотодефлекционное преобразование в естеспзешю-гиротропной изотропной среде, характеризующейся коэффициентом теплопроводности к5 и температуропроводностью . Решено уравнения теплопроводности

р^, ш

и получено выражение, описывающее распределение температурных полей в исследуемом образце:

+ 0О +СО+ 00+ 00

Т(х,у,г, 0= / / / / (2(£> Ч> М> \1,с)(1Ых\йш1с., (2)

-00 - 00 о О

где т|,ц,<;) - функция Грина уравнения теплопроводности (1), (2(£, л, 11>?) - функция распределения энергии, излучаемой источником. Для траисверсальной компоненты отклонения считывающего лазерного пучка выведено соотношение:

=--— /---йу, (3)

п+ аТ дх

йп*.

где —— - температурный градиент показателя преломления. йТ

Показано, что зависимость углов дефлекции от параметра циркулярного дихроизма линейна. Увеличение частоты модуляции

возбуждающего излучения приводит к снижению уровня сигнала, обусловленному термической инерционностью среды. Отдельно рассмотрен случай образца, движущегося со скоростью Ух. Из анализа полученных выражений следует, что с увеличением скорости движения среды величина углов дефлекции возрастает до максимального значения, а затем достаточно резко уменьшается. Обоснована возможность использования данной особенности формирования фотодефлекционного отклика в целях оптимизации режимов измерений в случае жидких и газообразных образцов.

В разделе 2.2 произведен расчет фотодефлекционного отклика магнитоактивного слоя. Выражение, полученное для диссипации энергии, содержит слагаемое Р± С05((2ы / с)«'+. а) . обусловленное

эффектом многолучевой интерференции собственных волн внутри магнитоактивного слоя. Результаты численного анализа позволяют утверждать, что амплитуда фотодефлекционного сигнала определяется параметрами поглощения е" и дихроизма 7" материала,

эллиптичностью т, частотой модуляции и радиусом поперечного сечения а возбуждающего светового пучка, а также геометрическими размерами образца. Различие углов дефлекции, соответствующих право- и левоциркуляряо поляризованному падающему излучению, может служить основой для реализации метода определения параметра магнитного циркулярного дихроизма по экспериментально измеренной разности.

Раздел 2.3 посвящен анализу фотодефлекционного сигнала одноосного естественно гиротропного кристалла. Проблема определения параметров оптической активности в данном случае усложнена наличием анизотропии диэлектрических свойств и, как следствие, - нескольких параметров оптической активности. При расчетах предполагалось, что пробный луч проходит сквозь прозрачную изотропную среду над поверхностью исследуемого образца. Такая постановка задачи позволила не учитывать эффекты поглощения при определении направления распространения пробного луча. Решение уравнения теплопроводности для среды, в которой лежит траектория пробного луча, полученное методом разделения перемедных, имеет следующий вид [3]:

1 03

Ъ О- 0= /5/о (5г)С(5) схр(М ехр(/о/)£Й + с. с., (4)

2 г О

где /0 - функция Бесселя.

Согласно приведенным расчетам влияние интерференции оптических волн с отраженными в слое волнами на амплитуду фотодефлекционного отклика проявляется максимально при т = 0 (линейная поляризация возбуждающего излучения), хР = к-к/2 и минимально - при т = ± 1 (циркулярная поляризация возбуждающего излучения), Ч'- л/4 +/с-я/2, где 0,1,2,.,. В последнем случае,

когда интенсивность излучения постоянна, величина фотодефлекционного отклика практически не зависит от эллиптичности излучения. Вклад многолучевой интерференции в результирующий фотодефлекционный отклик может составлять 5-г 12% в зависимости от исходных условий измерения. Влияние азимутальных характеристик возбуждающего излучения на фотодефлекционный сигнал наиболее сильно проявляется при линейной поляризации; при поляризации близкой к циркулярной результирующий отклик практически не зависит от угла поворота большой оси эллипса относительно оптической оси кристалла.

В разделе 2.4 предложен способ определения термических напряжений в системе «гиротропная пленка - подложка» фотодефлекционным методом. На основе выражений, полученных в диссертации для термоупругих потенциалов в системе «пленка-подложка», рассчитаны радиальные и осевые составляющие термических перемещений, деформаций и напряжений. Показано, что термоупругие деформации и напряжения, возникающие в рассматриваемой системе под действием модулированного лазерного излучения, пропорциональны пространственным составляющим фотодефлекционного сигнала, что позволяет предложить бесконтактный метод определения температурных напряжений на границе «пленка-подложка» по экспериментально измеренной' величине фотодефлекционного сигнала.

Третья глава посвящена исследованию процесса формирования фотодефлекционного сигнала в коллоидных растворах малых частиц ферромагнетиков (в магнитных жидкостях).

В разделе 3.1 проанализированы основные особенности диссипативных свойств магнитных жидкостей. Воздействие внешних электромагнитных нолей приводит к ориентационному упорядочению частиц, что, в свою очередь, обусловливает появление анизотропии оптических свойств среды. Для магнитных жидкостей с прозрачными несущими средами величина относительного линейного дихроизма определяется соотношением

К= л , " \ аЬ2(Р), (5)

1т(ац +ах)

где ац, а_]_ - параллельная и поперечная, компоненты тензора поляризуемости частицы в электрическом поле падающей световой волны, ¿2 = 1-ЗЬ/Е>, ¿^ = сШЕ, — - функция Ланжевена. Разность диссипации &(). энергии для волн ортогональной поляризации очень чувствительна к анизотропии формы. При приближении формы частицы к шарообразной величина А£> стремится к нулевому значению, и тем быстрее, чем меньше величина напряженности внешнего намагничивающего поля. С возрастанием напряженности магнитного поля Н величина разности диссипируемой энергии

стремится к насыщению, что связано с ориентацией всех частиц магнитной жидкости в направлении поля.

Амплитудные характеристики фотодефлекционного сигнала, возникающего в магнитной жидкости в условиях как гармонической, так и импульсной модуляции возбуждающего излучения, представлены в разделе 3.2. Расчеты показывают, что температурное распределение в покоящейся жидкости симметрично по форме и имеет максимум в геометрическом центре возбуждающего пучка. Угол дефлекции пробного луча сильно зависит от геометрии считывания и релаксационных свойств магнитной жидкости. Величина углов дефлекции пробного луча в магнитных жидкостях при

трансверсальной геометрии взаимодействия может достигать =10

угловых секунд, а в оптимизированных условиях =5-Ю-1 угловых секунд. Использование для нагрева образца импульсного излучения позволяет непосредственно определить величину относительного лилейного дихроизма магнитного ферроколлоида по результатам измерения разности углов дефлекции пробного луча.

В четвертой главе диссертации рассмотрены особенности применения метода фотодефлекционной спектроскопии в условиях туннельной электромагнитной интерференции встречных световых волн. Показано, что наличие гиротропных свойств образца в процессе встречного взаимодействия может существенно изменить картину объемной интерференции взаимодействующих -волн, что, в свою очередь, приведет к изменению величины фотодефлекционного отклика.

Раздел 4.1 посвящен расчету величины диссипации световой энергии в изотропной среде при встречном взаимодействии световых волн и анализу полученных при этом соотношений. Выражение для диссипации световой энергии <2 выведено на основе материальных уравнений для поглощающих гиротропных сред [4] и выражений для электромагнитных полей внутри слоя [5] в предположении комплексных диэлектрической проницаемости б = е'-Ие" и оптической активности у — у'+гу". Оно имеет вид

2 = ®(б" (| а+|2+! а_ |2+! в+12 +| в_ |2+

+ 2(Ке(А+в!_) + Яе(А_В+))) +

(6)

+4у"(«о'(|А+|2-|А_|2+|В+|2-|В_|2) +

+ 2п0"(1т(А+В_) + 1т(А1в+)))),

где щ"= 1т(по), щ-

Гг. Величины А± и В± выражаются через оптические параметры среды и энергетические и поляризационные характеристики взаимодействующих волн. На величину диссипации значительное влияние оказывает интерференция собственных волн

и

внутри слоя. Отмеченное влияние возрастает с уменьшением поглощения. С ростом показателя экстинции света в" ожидается снижение интерференционных эффектов. Согласно расчетам,

выполненным для кристаллической пластинки толщиной 2с/= 10 "2м, диссипация энергии 2 осциллирует с периодом ~10_5л«. Влияние гиротропии проявляется уменьшением величины поглощенной энергии. Период колебания диссипации при этом не изменяется.

В разделе 4.2 изучены особенности диссипации световой энергии в одноосных естествешю гиротропных кристаллах при встречном взаимодействии световых волн. Величина диссипации световой энергии внутри слоя определяется выражением

е = 4^(Е2|Ех|2+81'1ЕуГ)' (7)

<| .

где е,- = 1ш(ег), Ех, Еу - составляющие электрического поля световой

волны внутри слоя.

Влияние гиротропных свойств образца на характер взаимодействия встречных световых волн наиболее ярко проявляется при анализе диссипации энергии £) как функции одновременно изменяющихся эллиптичностей Т] и Т2 падающих волн: При наличии гиротропии существует определенная асимметрия зависимости диссипативных свойств образца. В работе [6] показано, что в отсутствие гиротропных свойств у исследуемой среды зависимость диссипации энергии от эллиптичностей встречных волн симметрична. Таким образом, асимметрия зависимостей объясняется дополнительным (обусловленным гиротрогшей) вращением эллипсов поляризации и дихроичным поглощением внутри слоя.

Анализ фотодефлекционного сигнала, возникающего в гиротропной среде при встречном взаимодействии, проведен в разделе 4.3. Показано, что при распространении пробного луча параллельно границе раздела на удалении Ь, меньшем длины термической диффузии для детекторной среды, реализуется минимальное отклонение, а при надлежащем. выборе условий измерения возможно полное подавление фотодефлекционного отклика. При модуляции поглощения световой энергии положение точки минимума в значительной мере определяется частотой амплитудной модуляции падающего излучения. Увеличение действительной части параметра гирации у' приводит к исчезновению эффекта подавления фотодефлекционного сигнала, обусловленному дополнительным поворотом главных осей эллипсов поляризации световых волн, что, в свою очередь, изменяет картину шггерференционного перераспределения энергии. Положение минимума зависит также от разности начальных фаз взаимодействующих волн и состояния их поляризации. При

увеличении мнимой части параметра гирации у" происходит незначительное возрастание угла дефлекции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итог проведенным исследованиям, сформулируем основные результаты диссертационной работы.

1. Развита теория формирования фотодефлекционного сигнала в естественно гиротропных и магнитоактивных средах. Обоснована возможность определения параметров, характеризующих диссилативные свойства указанных сред, по экспериментально измеренной амплитуде фотодефлекционного отклика [1,3].

2. Показано что термоупругие смещения, возникающие в системе «образец-пленка» под действием модулированного лазерного излучения, пропорциональны величине фотодефлекционного отклика и предложен способ бесконтактного определения термоупругих характеристик такой системы методом фотодефлекционной спектроскопии [16].

3. Установлены новые особенности диссипации энергии при встречном взаимодействии электромагнитных волн в кубических и одноосных гиротропных кристаллах, обусловленные влиянием эффектов многолучевой интерференции. Обоснована возможность эффективного управления амплитудой фотодефлекционного отклика посредством изменения эллиптичностей взаимодействующих волн и разности их начальных фаз [7,8,9,14].

4. Предсказан и исследован эффект полного подавления переменной составляющей фотодефлекционного сигнала путем изменения интенсивности одной из падающих волн в условиях встречного взаимодействия световых волн в естественно гиротропной среде. Установлено, что данный эффект обусловлен интерференционным перераспределением электромагнитной энергии между собственными волнами в объеме исследуемого образца. Определены области возможного практического использования указанного явления [6,9,10,15].

5. Изучен механизм формирования фотодефлекционного сигнала в магнитных жидкостях. Показано, что исследование дихроизма магнитных жидкостей фотодефлекционным методом наиболее эффективно при достижении состояния насыщения, когда все частицы магнитного коллоида ориентированы вдоль силовых линий внешнего поля [2,4,5,11,13].

6. Показано, что величина параметра линейного дихроизма магнитной жидкости пропорциональна разности углов дефлекции при возбуждении излучением, модулированным с поляризациями, продольной и поперечной внешнему магнитному полю. Предложен способ определения величины относительного линейного дихроизма магнитной жидкости [2.12].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Mityurich G.S., AstakhovP.V. Photodeflection spectroscopy of the flowing gyrotropic media // Proc. 5th Spring School on Acousto-Optics and Applications. - SPIE. - 1992. - Vol. 1844. - P. 300-308.

2. Митюрич Г.С., Астахов П.В. Фотодефлекционная спектроскопия магнитных жидкостей // ЖТФ. - 1994. - Г. 64, № 12. - С. 2-8.

3. Photoacoustic spectroscopy of magnetoactive layered structures /G.S. Mityurich, P.V. Astakhov, V.V. Sviridova, A.N. Serdyukov, J. Ranachowski// Pol. Cerman. Bul. 9. Ceramics 47. - 1995- P. 217-230.

4. Mityurich G.S., Astakhov P.V. Laser photodeflection spectroscopy of the dichroic ferromagnetic colloids //«CHIRAL'95», 4 th Int. Conf. on Chiral, Bi-isotropic and Bi-anisotropic Media, - USA, 1995. - P. 153-156.

5. Investigation of magnetic fluids by the method of photodeflection spectroscopy /G.S. Mityurich, P.V. Astakhov, J. Ranachowski, J. Motylewski III FTP Reports. - Warsaw, 1995. - 23 p.

6. Mityurich G.S., Astakhov P.V. Photodeflection response of gyrotropic medium in opposed interaction of light waves // Progress in natural science, 9 th Int. Conf. Photoacoustic and Photothermal Phenomena. -Nanjing, China, 1996. - Vol. 6. - P. S701-S704.

7. Mityurich G.S., Astakhov P.V. Peculiarities of the photodeflection signal formation in uniaxial gyrotropic crystals // «BIANISOTROTICS'97», Int. Conf. on Electromagnetics of Complex Media, - Great Britain, 1997. - P. 273-276.

8. Starodubtsev E.G., AstakhovP.V. Peculiarities of interference of opposed electromagnetic waves in layers of uniaxial gyrotropic crystals // «BIANISOTROTICS'98», Int. Conf. on Electromagnetics of Complex Media, - Germany, 1998. - P. 167-170.

9. Астахов П.В., Митюрич Г.С. Фотодефлекционный отклик гиротропно-изотропного образца в условиях туннельной электромагнитной интерференции //Письма в ЖТФ - 1998. - Т. 24, № 15. - С. 85-90.

10. Mityurich G.S., AstakhovP.V. Effect of suppressing of the photodeflection signal at opposed interaction of electromagnetic waves //Photoacoustic and Photothermal Phenomena: 10 th Int. Conf. (edited by F. Scudieri and M. Bertolotti), - The American Institute of Physics, 1999. - P. 58-60.

11. Mityurich G.S., AstakhovP.V. Laser photodeflection spectroscopy of magnetic fluids // 8 th Int. Topical Meeting on Photoacoustic and Photothermal Phenomena: Abstracts. - France, 1994. - P. 227-228.

12. Mityurich G.S., AstakhovP.V. Pulsed photodeflection spectroscopy of the magnetic fluids // Int. Workshop on Modern Acoustics: Abstracts. -Nanjing, China, 1994. - P. 89.

13. Mityurich G.S., Astakhov P.V. Investigation of magnetic fluids by the method of photodeflection spectroscopy //XXIV Winter School on Molecular and Quantum Acoustics: Abstracts. - Poland, 1995. - P. 41.

14. Mityurich G.S., Astakhov P.V. Photodeflection response of gyrotropic medium in opposed interaction of light waves // 9 th Int. Conf. Photoacoustic and Photothermal Phenomena: Abstracts. - Nanjing, China, 1996. - P. 550-551.

15. Mityurich G.S., Astakhov P.V. Effect of suppressing of the photodeflection signal at opposed interaction of electromagnetic waves //10 th Int. Conf. Photoacoustic and Photothermal Phenomena: Abstracts. - Rome, Italy, 1998. - P. 43.

16. Mityurich G.S., Astakhov P.V. Definition of the adherence at the sample-back boundary with the photodeflection method //10 th Int. Conf. Photoacoustic and Photothermal Phenomena: Abstracts. - Rome, Italy, 1998. - P. 313.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Tam А.С. Applications of photoacoustic sensing techniques // Rev. Mod. Ph'ys. - 1986". - Vol. 58; № 2. "-РГ381-431.

2. Fournier D., Boccara A.C. In: Photoacoustic and thermal wave phenomena in semiconductors (Ed. A. Mandelis), Elsevier Sci.Publ., 1987. P. 237-255.

3. Карсло\*Г.. ЕгерД. Теплопроводность твердых тел, - М.: Мир, 1964. -451 с.

4. Федоров Ф.И. Теория гиротропии. - Минск: Наука и техника, 1976.-456 с.

5. Бокуть Б.В., Сердюков А.Н., Федоров Ф.И. К электродинамике оптически активных сред. - Препринт / Институт физики АН БССР. - Минск, 1970. - 36 с.

6. Photoacoustic transformation in tunnel electromagnetic interference conditions / G.S. Mityurich, V.P. Zelyony, V.V. Sviridova, A.N. Serdyukov // Progress in natural science, 9 th Int. Conf. Photoacoustic and Photothermal Phenomena, - Nanjing, China, 1996. -P. П5-216.

РЕЗЮМЕ

Астахов Павел Владимирович

ФОТОДЕФЛЕКЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ГИРОТРОПНЫХ И МАГНИТОАКТИВНЫХ СРЕД

Ключевые слова: фотодефлекционная спектроскопия, плоские электромагнитные волны, ковариантные методы, гиротропная среда, дихроизм, магнитная жидкость, туннельная электромагнитная интерференция.

Объектом исследования в диссертации является фототермическое взаимодействие в естественно гиротропных и мапштоактивных средах при их изучении методом фотодефлекционной спектроскопии. Целью работы является разработка метода лазерной фотодефлекционной спектроскопии для изучения естественно гиротропных и магнитоактивных сред, а также сред с пространственно-симметрийными особенностями.

Для расчета электрических и магнитных. полей в указанных средах использованы ковариантные методы электродинамики, разработанные Ф.И. Федоровым. Для решения систем дифференциальных уравнений, определяющих фотодефлекцнонный сигнал, и анализа процессов, связанных с его формированием, применялись методы математической физики, теория специальных функций и численные методы.

В диссертации проведено теоретическое исследование особенностей формирования фотодефлекционного отклика в естественно гиротропных и магнитоажтивных средах с учетом влияния 1 многолучевой интерференции собственных волн и естественной оптической активности. Обоснована возможность определения фотодефлекционным методом термических напряжений, возникающих в поглощающей слоистой системе под воздействием лазерного излучения.

Развита теория генерации фотодефлекционного сигнала в гиротропных средах в условиях туннельной электромагнитной интерференции. Предсказан эффект подавления переменной составляющей фотодефлекционного отклика, обусловленный интерференционным перераспределением энергии в объеме исследуемого образца при изменении амплитудных характеристик взаимодействующих волн. В работе предложен способ измерения относительного лилейного дихроизма магнитных жидкостей, базирующийся на импульсной фотодефлекционной спектроскопии.

Полученные результаты могут быть использованы при создании новых приборов для фототермической спектроскопии и дистанционного контроля различных сред и материалов.

SUMMARY Astakhov Pavel Vladimirovitch

PHOTODEFLECTION SPECTROSCOPY OF GYROTROPIC AND MAGNETOACTIVE MEDIA

Key words: photodeflectioii spectroscopy, plane electromagnetic waves, covariant methods, gyrotropic medium, dichroism, magnetic fluid, tunnel electromagnetic interference.

The purpose of the investigation in the dissertation is photothermal interaction in naturally gyrotropic and magnetoactive media during their study by the method of photodeflection spectroscopy. The aim of the research is the development of the method of laser photodeflection spectroscopy for studies of naturally gyrotropic and magnetoactive media as well as media with spatial symmetric peculiarities.

Covariant methods of electrodynamics worked out by F.I. Fedorov were used for the calculation of the electric and magnetic fields in the media mentioned above. Methods of mathematical physics, theory of special functions and numerical methods were applied for the solution of the systems of differential equations, determining the photodeflection signal, and for the analysis of the processes connected with its formation.

The dissertation presents theoretical investigation of the peculiarities of formation of photodeflection response in naturally gyrotropic and magnetoactive media taking into account the influence of multibeam interference of proper waves and naturally optical activity. There has been given ground to the possibility of determining thermal strengths appearing in the absorbing layered system under the force of laser radiation by the photodeflection method.

There has been developed the theory of generation of photodeflection signal in gyrotropic media in the conditions of tunnel electromagnetic interference. There was predicted the effect of suppressing the variable component of the photodeflection response conditioned by the interference redistribution of energy in the volume of the investigated sample while changing the amplitude characteristics of the interacting waves. The paper suggests a way of measuring the relative linear dichroism of magnetic fluids based on pulse photodeflection spectroscopy.

The results received can be applied in the process of creation of new equipment for photothermal spectroscopy and distant control of various media and materials.

РЭЗЮМЕ Астахау Павел Улaдзiмipaвiч

ФОТАДЭФЛЕКЦЫЙНАЯ СПЕКТРАСКАП1Я ПРАТРОПНЫХ I МАГШТААКТЫУНЫХ АСЯРОДДЗЯУ

Ключавыя словы: фотадэфлекцьтйная спектраскашя, плоаая электрамапптныя хпа;п, каварыянтньтя метады, пратропнае асяроддзе, дыхрапм, магштная вадкасць, тунэльная электрамагштная штэрферэнцыя.

Аб'ектам даследавання у дысертацыйнай працы з'яуляецца фотатэрм1чнае узаемадзеянне у натуральна пратропных \ магштаактыуных асяроддзях пры ж вывучэнш метадам фотадэфлекцыйнай спектраскапп. Мэтай працы з'яуляецца распрацоука метада лазернай фотадэфлекцыйнай спектраскапп для вывучэння натуральна пратропных 1 магштаактыуных асяроддзяу, а таксама асяроддзяу з прасторава-сшетрыйньгм! асабл^васцяш.

Пры разлках электрычных 1 магштных палёу у вышэй названых асяроддзях выкарыстаны каварыянтиыя метады электрадынамш, распрацаваныя Ф.1. Фёдаравым. Для рашэння астэм дыференцыяльных урауненяяу, яюя вьтзначаюць фотадэфлекцыйны спнал, 1 анал1зу працэсау, звязаных з яго фарм1раваннем, в ьтк а р ь I сто у в а л 1 ся метады матэматычнай ф1зпс1, тзорыя спецыяльных фугасцый 1 л!чбавыя метады.

У дысертацьй праведзена тэарэтычнае даследаванне асабл!васцей фарм1равання фотадэфлекцыйнага водгуку у натуральна пратропных 1 магштаактыуных асяроддзях з улжам уплыву 1 шматпрамянёвай штзрферэнцьи уласных хваляу 1 натуральна!! аптычяай актыунаац. Абгрунтавана магчымасць вызначэння фотадэфлекцыйным метадам тэрм1чных напру жанняу, узшкаючых у паглынагочай ела! стай екггзме пад уздзеяннем лазернага выпраменьвання.

Развит тэорьш генерацьп фотадэфлекцыйнага сыпала у пратропных асяроддзях ва умовах тунэльнай электрамагштнай штзрферэнцьи. Прадказаны зфект падаулення пераменнай састауляючай фотадэфлекцыйнага водгуку, абумоулены штэрферэнцыйным лераразмяркаваннем энергн у аб'ёме даследаванага узора пры змяненш амплитудных характарыстык ' узаемадзеючых хваляу. У працы прапанаваны спосаб вымярэння адноснага лшейнага дыхра1зму магштных вадкасцей, ята грунтуецца на ¿мпульснай фотадэфлекцыйнай спектраскапп.

Атрыманыя вынш могуць пьткарыстоуваши пры стварэшй новых прыборау для фотадэфлекцыйнай спектраскапп 1 дыставдыйнага кантролю розных асяроддзяу 1 магэрыялау.

Астахов Павел Владимирович

ФОТОДЕФЛЕКЦИОИНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ГИРОТРОПНЫХ ' И МАГНИТОАКТИВНЫХ СРЕД

Лиц. Л В №384 от 12.02.1999. Подписано в печать 28.03.2000 г. Фоомат 60x84 1/16. Бумага писч. №1. II ечать офсстпая. Уел» п. л, 1,0» Уч.-изд. л.0,9. Тираж 75 экз. Заказ ■ Отпечатано на ротапринте Гомельского госуниверситета им. Ф. Скорины, 246699, г.Гомель, ул. Советская, 104.