Лазерная оптико-акустическая диагностика гетерогенных сред

Пеливанов, Иван Михайлович

Лазерная оптико-акустическая диагностика гетерогенных сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Пеливанов, Иван Михайлович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2000 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Лазерная оптико-акустическая диагностика гетерогенных сред»

Автореферат диссертации на тему "Лазерная оптико-акустическая диагностика гетерогенных сред"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 534.212+534.232

ПЕЛИВАНОВ ИВАН МИХАЙЛОВИЧ

ЛАЗЕРНАЯ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ГЕТЕРОГЕННЫХ СРЕД

Специальность: 01.04.21 - лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2000

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор В. А. Макаров кандидат физико-математических наук, Н.Б. Подымова

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

C.B. Егерев

кандидат физико-математических наук, доцент Г.В. Белокопьпов

Ведущая организация: Институт проблем лазерных

и информационных технологий РАН, г. Шатура

Защита состоится " декабря 2000 года в " " часов на заседании диссертационного совета К 053.05.21 в МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, г. Москва, Воробьевы горы, МГУ, ул. Хохлова, д.1, Корпус Нелинейной Оптики, аудитория им. С. А. Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан " ^ " ноября 2000'года.

Ученый секретарь диссертационного coBâra \ '"' *^ К.053.05.21, кандидат физ.-мат. наук, доцент ° 4 М.С. Полякова

/ЗШ. л^ о à

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования Исследование физических свойств и внутренней структуры неоднородных конденсированных сред является важным в многочисленных задачах как фундаментального, так и прикладного характера. Среди них можно отметить разработку новых пеинвазивных методов диагностики биологических тканей и объектов, неразрушающий контроль конструкционных материалов на различных стадиях изготовления, а также в процессе эксплуатации деталей и изделий.

Для решения таких задач целесообразно использовать оптико-акустический (ОА) эффект - термооптическое возбуждение акустических волн в среде при поглощении в ней модулированного по интенсивности светового (лазерного) излучения. Параметры ОА сигналов определяются как характеристиками поглощенного излучения, так и оптическими, теплофизическими и акустическими свойствами поглощающей среды. Это позволяет проводить измерения указанных свойств исследуемой среды по временному профилю давления ОА сигнала. Подбирая соответствующим образом характеристики лазерного излучения и поглощающей среды, можно получить мощные широкополосные ультразвуковые импульсы, применение которых необходимо в задачах акустической спектроскопии и ультразвукового неразрушаквдего контроля.

Исследование распространения оптического излучения в светорассеивающих средах и, в частности, распределения поглощающих и рассеивающих неоднородностей, является фундаментальной научной проблемой. В последнее время интерес к этой проблеме в значительной мере связан с развитием лазерной диагностики и терапии биологических сред и тканей. Измерение оптических характеристик таких сред необходимо как для расчета распределения излучения внутри биологической среды так и для определения его оптимальной дозировки, а также для решения прямой задачи оптической томографии.

При поглощении в среде лазерного импульса с длительностью, много меньшей времени пробега акустической волны по области тепловыделения, профиль давления оптико-акустического сигнала повторяет пространственное распределение тепловых источников в среде. В случае однородно поглощающей и рассеивающей среды в приближении плоской световой волны это распределение совпадает с пространственным распределением интенсивности света в среде. Таким образом, применение оптико-акустического эффекта в задачах измерения оптических свойств рассеивающих сред представляется весьма перспективным.

С развитием технологии полупроводниковых приборов, в частности интегральпых схем, представляющих собой сложную многослойную структуру с использованием полупроводников разного типа проводимости, возрос интерес к изучению свойств периодических структур (ПС). Интересным эффектом является наличие диапазонов прозрачности и непрозрачности, которые наблюдаются для различных типов излучения в спектре пропускания таких структур. В оптике ПС используются, например, при изготовлении диэлектрических фильтров и зеркал резонаторов, в динамической голографии, зеркалах с обращением волнового фронта, двумерном оптическом воспроизведении или для трехмерной оптической записи информации.

В связи с развитием микроэлектроники в последнее время интенсивно исследуется случай, когда один из слоев ПС заменяется материалом со свойствами, нарушающими периодичность. В этом случае в зоне непрозрачности спектра пропускания электромагнитного излучения появляется узкий локальный максимум. Подобная ситуация имеет место, когда в кристаллическую решетку полупроводника внедряют атом примеси, когда дает разрешенное энергетическое состояние в запрещенной зоне.

Возможность экспериментального исследования на макро уровне при использовании ультразвуковой техники эффектов, аналогичных тем, которые имеют волновую природу и возникают при электромагнитном взаимодействии, объясняет интерес к изучению ПС в акустике. Кроме того, большинство композитных материалов имеют периодическую или слоистую структуру. Поэтому исследование акустических свойств таких структур является важным и актуальным. Использование ОА эффекта для возбуждения мощных широкополосных зондирующих импульсов позволяет проводить спектроскопию указанных сред в широкой полосе частот в реальном масштабе времени.

Применение композитных материалов в авиастроении и машиностроении позволяет уменьшить вес конструкций и существенно повысить их прочность. Значительное распространение получили графито-эпоксидные и стеклопластиковые композиты. Дефекты структуры композита, такие как трещины, воздушные раковины, отслоения волокон от матрицы и т.д., появляющиеся как на стадии изготовления, так и в процессе эксплуатации, существенно ослабляют его прочность. В связи с этим возникла потребность в разработке неразрушающих методов контроля их прочностных характеристик. Большинство композитных материалов подвержены старению, т.е. их

упругие свойства меняются под действием динамических и статических нагрузок. Такие процессы приводят к изменению затухания и скорости распространения ультразвуковых волн в композите. По значениям фазовых скоростей акустических волн можно вычислить упругие модули трансверсалыю-изотропных и ортотропньк композитов. Однако их расчет для композитов с более сложным характером анизотропии внутренней структуры представляет значительные трудности. В этом случае необходим анализ частотных зависимостей коэффициентов пропускания, отражения или затухания ультразвука в композите в широком спектральном диапазоне. Однако применение для этой цели традиционных ультразвуковых методов, использующих пьезопреобразователи для генерации акустических импульсов, затруднено прежде всего из-за низкой эффективности возбуждения широкополосных акустических сигналов. Использование ОА эффекта в оперативных методах неразрушающего контроля и диагностики композитных материалов позволяет устранить данную трудность.

Изображение внутренней структуры гетерогенных сред может быть получено методами оптической томографии, электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Хотя эти методы обеспечивают получение детальной картины особенностей структуры, они не дают возможность напрямую связать эти особенности с физическими свойствами объекта и предсказать динамику изменения структуры материала. Например, для пористого кремния - материала, получаемого путем электрохимического травления в растворах кислот и имеющего ряд перспективных применений в оптике и электронике, важнейшими макроскопическими характеристиками являются его теплопроводность, пористость и толщина вытравленного пористого слоя. Степень пористости образца определяется обычно гравиметрическим методом. Для определения пористости существуют также методы газовой и жидкостной порометрии, рентгеноструктурный метод. Однако эти методы обладают либо невысокой точностью, либо имеют разрушающий характер измерений. Пористость материала существенно влияет на его акустические характеристики (скорость и затухание ультразвука). Поэтому для диагностики указанных свойств пористого кремния представляется перспективным применение оптико-акустического эффекта, позволяющего получать короткие и мощные акустические импульсы с известной амплитудой и частотным спектром.

Целью диссертационной работы является; разработка методов лазерной

оптико-акустической диагностики оптических, акустических и механических свойств

гетерогенных сред.

Задачи исследования:

1. Теоретически и экспериментально исследовать процесс импульсного лазерного возбуждения акустических сигналов в сильнорассеивающих конденсированных средах и разработать метод прямого измерения пространственного распределения интенсивности света в таких средах и их оптических характеристик.

2. Экспериментально исследовать особенности распространения широкополосных акустических импульсов продольных волн в одномерных модельных и реальных периодических структурах.

3. Экспериментально исследовать влияние дефектов в периодической структуре па спектр пропускания ультразвука.

4. Разработать метод неразрушающих измерений пористости и толщины слоя на подложке образцов пористого кремния с использованием лазерных источников широкополосных акустических сигналов.

5. На основе иммерсионной техники с лазерным источником ультразвука исследовать распространение широкополосных акустических импульсов в графито-эпоксидных композитах и разработать метод измерения полного набора их упругих модулей.

6. Разработать метод неразрушающей оптико-акустической дефектоскопии графито-эпоксидных композитов на основе анализа рассеянных назад на неоднородностях структуры широкополосных акустических сигналов.

Научная новизна:

1. Продемонстрирована возможность прямого измерения пространственного распределения интенсивности лазерного излучения в сильно рассеивающих свет конденсированных средах по временному профилю давления оптико-акустического сигнала.

2. Впервые оптико-акустическим методом проведены измерения оптических характеристик сильно рассеивающих сред: коэффициента поглощения и приведенного коэффициента рассеяния света.

воды, в частотном диапазоне (0.5н-10) МГц и изучено влияние дефектов структуры на спектр пропускания ультразвука.

4. С использованием лазерных источников широкополосных ультразвуковых импульсов экспериментально исследовано распространение продольных и сдвиговых акустических волн в построены их волновые поверхности в однонаправленных графито-эпоксидных композитах.

5. Предложен и экспериментально реализован оптико-акустический метод дефектоскопии композитных материалов, основанный на регистрации рассеянных назад ультразвуковых сигналов.

Практическая ценность:

1. Разработана оптико-акустическая методика прямого измерения пространственного распределения интенсивности лазерного излучения в сильно рассеивающих свет конденсированных средах и их оптических характеристик, особенно актуальная в задачах диагностики биологических тканей и объектов.

2. Разработана оптико-акустическая методика измерения акустических и механических характеристик одномерных периодических структур, которая может применяться в неразрушающем контроле композитных материалов; а также в задачах моделирования на макроуровне распространения электромагнитного излучения в фотонных кристаллах.

3. Разработан лазерный оптико-акустический метод неразрушающих измерений пористости и толщины слоя на подложке образцов пористого кремния, что является весьма актуальным ввиду его широкого применения в современной оптике и микроэлектронике.

4. Разработанные методы лазерной оптико-акустической диагностики позволяют проводить измерения полного набора упругих модулей однонаправленных графито-эпоксидных композитов и ультразвуковую дефектоскопию таких материалов при одностороннем доступе к объекту контроля. Применение данных методов необходимо при анализе структуры композитных материалов как на стадии изготовления, так и в процессе эксплуатации изделий, в частности, в авиационной промышленности и машиностроении.

Защищаемые положения:

1. Лазерный оптико-акустический метод позволяет проводить прямые измерения пространственного распределения интенсивности света в сильнорассеивающих

конденсированных средах. Коэффициент экстинкции света определяется по экспоненциальной аппроксимации переднего фронта оптико-акустического сигнала,

2. Оптические характеристики сильнорассеиваищих конденсированных сред -. коэффициент поглощения и приведенный коэффициент рассеяния света -определяются по временному профилю давления оптико-акустического сигнала при , известных теплофизических параметрах среды.

3. Методика широкополосной оптико-акустической спектроскопии с лазерными . , источниками ультразвука позволяет проводить измерения пропускания акустических волн одномерными периодическими структурами в полосе частот 0.1 -г-100 МГц в реальном масштабе времени. Дефекты в таких структурах приводят к возникновению одного или нескольких локальных максимумов в запрещенной зоне пропускания ультразвука. Амплитуда и положение локального максимума в зоне непрозрачности зависят от расположения дефектного слоя.

4. Иммерсионная методика с лазерным источником ультразвука позволяет проводить неразрушающие измерения пористости и толщины слоя образцов пористого кремния на монокристаллической подложке.

5. Метод широкополосной акустической спектроскопии с лазерными источниками импульсов продольных и сдвиговых ультразвуковых волн позволяет определить полный набор упругих модулей однонаправленных графито-эпоксидных композитов.

6. Оптико-акустический метод с косвенной регистрацией акустических сигналов позволяет осуществлять ультразвуковую дефектоскопию многонаправленных графито-эпоксидных композитов по рассеянным назад широкополосным акустическим сигналам при одностороннем доступе к объекту контроля.

Апробация работы и публикации: Результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на Всероссийской конференции "Композиционные, керамические, порошковые материалы и покрытия." (Москва, 1995); Международной конференции "Неразрушающий контроль и диагностика-96."(Москва, 1996); Международной конференции "Механика композитных материалов" (Латвия, Рига, 1998, 2000); Международной конференции "Современные проблемы механики" (Москва, 1999); Всероссийской конференции "Нелинейные задачи в теории гидродинамики упругих сред" (Москва, 1999); Международной конференции "Biomedical optics 2000" (San Jose, USA, 2000); Международной конференции "X Conference on Laser Optics" (С-Петербург, 2000).

Основные результаты диссертации изложены в 11 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и обьем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 171 страница, в том числе 45 рисунков, 4 таблицы. Список литературы включает 123 наименования.

Содержание диссертации.

Во введении сформулировапы цели и задачи работы. Кратко изложено содержание диссертации.

Глава I посвящена теоретическому обоснованию возможностей применения оптико-акустического эффекта в задачах неразрушающей диагностики оптических, акустических и механических свойств гетерогенных сред.

В §1.1 рассмотрен метод передаточных функций для решения задачи термооптического возбуждения звука в однородно поглощающих свет средах. Спектр р(а>) термооптически возбуждаемого звукового сигнала (ОА сигнала) определяется произведением спектра временной огибающей интенсивности поглощенпого лазерного излучения и частотной передаточной функции термооптического преобразования К(а)-.

р(о>) = Ы(а>)К(со). (1)

Функция К(со) зависит от коэффициента поглощения света, теплофизических параметров поглощающей среды и является Фурье-образом пространственного распределения источников тепла. В случае короткого лазерного импульса, т.е. когда диапазон /(со) значительно шире спектрального диапазона К{ы), временная зависимость давления переднего фронта акустического сигнала в поглощающей среде р(т -t—z/V^) {Vf - скорость звука в среде) повторяет пространственное распределение в ней источников тепла. Таким образом, применение ОА эффекта возможно не только для возбуждения мощных широкополосных акустических импульсов, но и в качестве метода измерения пространственного распределения интенсивности света и оптических характеристик поглощающих сред по временной форме фронта ОА импульса.

§1.2 посвящен анализу трансформации формы ОА сигнала при распространении в конденсированной среде. Поскольку информация извлекается в первую очередь из

анализа временной формы ОА сигналов, то учет изменения формы импульса является очень важным. Проходя расстояние от излучателя до приемника, широкополосный акустический сигнал искажается, причем низкие частоты больше подвержены дифракции, а высокие - затуханию. Поэтому влияние диссипативных и дифракционных искажений на форму ОА сигнала рассматривается в случае сильно различающихся масштабов их проявления. Обычно в задачах неразрушающей диагностики используются акустические импульсы небольших амплитуд, поэтому влияние нелинейных искажений на форму ОА сигнала не учитывается.

Глава II посвящена измерению пространственного распределения интенсивности света и оптических характеристик сильно рассеивающих свет конденсированных сред импульсным оптико-акустическим методом.

В §2.1 приведен краткий обзор различных методов исследования оптических характеристик рассеивающих конденсированных сред. Большинство методов диагностики оптических свойств рассеивающих сред основано на регистрации рассеянного средой лазерного излучения. Регистрируется либо рассеянное вперед, либо рассеянное назад световое поле. В параграфе обсуждаются достоинства и недостатки оптических методов. В качестве альтернативного метода решения поставленной задачи представляется перспективным применение оптико-акустического эффекта. В ОА методике регистрируется не световой, а акустический сигнал, возбуждаемый в рассеивающей среде, что существенно облегчает процедуру обработки экспериментальных данных и позволяет одновременно измерять пространственное распределение интенсивности света и оптические характеристики среды.

В §2.2 проведен теоретический анализ пространственного распределения интенсивности света в условиях многократного рассеяния (коэффициент поглощения ца много меньше коэффициента рассеяния Рассматривается одномерный случай, т.е. падение на рассеивающую среду волны с плоским волновым фронтом. В этом приближении и при условии, что время жизни фотона в среде {/лас)~^ (с - скорость света в среде) много меньше длительности лазерного импульса г^, из уравнения баланса фотонов получено стационарное уравнение диффузии:

где ¡¡¡^ (г) и Б(2:) соответственно распределения интенсивности и источников

<к

3(2)

(2)

диффузного поля в среде, - коэффициент экстинкции света, В - коэффициент диффузии для потока фотонов. Решение этого уравнения

(Д- постоянная, зависящая от показателей преломления прозрачной и рассеивающей сред) описывает распределение интенсивности света на расстояниях от границы, больших 2ч-3 транспортных длип свободного пробега фотона в среде Л^.. Сравнение результатов диффузионной теории с результатами экспериментов необходимо для определения неизвестных величин /ла и /4 = Аг 8 - средний косинус угла

однократного рассеяния).

В §2.3 рассмотрена модель импульсного оптико-акустического эффекта в рассеивающей среде. Анализ термооптического возбуждения звука в рассеивающей среде возможен только при упрощающих предположениях. В рассматриваемом случае среда являлась сильно рассеивающей (/¡а « ), и ее толщина Ь и характерный

радиус лазерного пучка ад, используемого для возбуждения звука, были много больше глубины проникновения света в среду г I и . В этом случае можно использовать приближение полубесконечной среды и считать лазерный пучок коллимированным. Если время релаксации теплового поля в области нагрева к 1/(/-^ х) много больше длительности лазерного импульса г^, то диффузией тепла в процессе лазерного нагрева среды можно пренебречь. При поглощении в среде короткого лазерного импульса «!> Vь ' скорость звука в среде) и при указанных выше

предположениях передний фронт давления ОА сигнала повторяет пространственное распределение интенсивности света Н{г) в среде:

{р - коэффициент теплового расширения среды, ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении, Ео - плотность энергии падающего на среду лазерного излучения).

В §2.4 приведены результаты измерения пространственного распределения интенсивности света в сильнорассеивающих средах и оптических характеристик таких

'А/ (2) = к 2 З у" |ехр(/^# Л* )-ехр[- ме// -V (2Д +1)]| ехр{-ц^г) (3)

#(-К£г), г <0

[(1-7У)/(1 + ^)]я(^г), г>0

(4)

Р, Па

2 з

Г, МКС

Рис.]. Временной профиль давления ОА сигнала во взвеси частиц ТЮг, возбуждаемого при свободной границе. Точки зарегистрированный сигнал, сплошная кривая -экспоненциальная аппроксимация.

¡тй

б 54 3 210

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

2, СМ

Рис.2. Пространственное распределение интенсивности света в водной суспензии полистироловых сферических частиц. Сплошная кривая - теоретический расчет, Цф = 2.8 см"1, ЯГг = 6.1310"2см; точки

передний фронт давления ОА сигнала,

нормированного на Ср^с.

сред. В качестве исследуемых модельных рассеивающих сред были взяты водная суспензия

полистироловых сферических частиц (радиус частиц го = 0.38 мкм, объемная концентрация пу^ 0.75%) и взвесь частиц оксида титана Т1О2 в воде (средний размер частиц г0<1 мкм, пу= 0.2+1.7%). По экспоненциальной аппроксимации переднего фронта ОА сигнала р(т < 0) - ехр^е^ У^ г|

(рис.1) был определен коэффициент экстинкции света в исследуемых средах . Относительная ошибка в

измерении определяется шумом квантования сигнала р{т) и ошибкой в измерении скорости звука и составляет около 1%. Для суспензии полистироловых сфер результат расчета приведенного коэффициента рассеяния света /л'3 = по

известному коэффициенту поглощения света в воде ца= 0.16 см1 и измеренному значению /иед- совпал в

пределах точности измерений 2% с рассчитанным по теории Ми. По известным ¡ла и было рассчитано

пространственное распределение интенсивности света в суспензии в диффузионном приближении (рис.2). Для взвеси частиц ТЮ2 в воде по абсолютной величине давления фронта ОА сигнала и по экспериментально измеренному значению был вычислен

коэффициент , а затем и fia. Предлагаемый оптико-акустический метод позволяет определять оптические характеристики рассеивающей среды с относительной точностью 2.5-г-З %.

Глава III посвящена OA методикам неразрушающего контроля и диагностики одномерных периодических структур (ПС).

В §3.1 проведен краткий обзор литературы по ультразвуковой диагностике акустических и механических свойств ПС. Наличие у таких структур в спектре пропускания ультразвука диапазонов прозрачности ("pass-bands") и непрозрачности ("stop-bands") открывает возможность их неразрушающей диапюстики. Поскольку наличие дефектов в структуре приводит к появлению одного или нескольких локальных максимумов в зоне прозрачности, метод широкополосной ультразвуковой спектроскопии позволит провести дефектоскопию ПС. Применение для этой цели лазерных источников мощных широкополосных ультразвуковых сигналов является весьма перспективным, позволяя проводить измерения в широком диапазоне частот и в реальном масштабе времени.

В §3.2 теоретически проанализировано распространение ультразвуковых волн в ПС с использованием модели встречного интерференционного взаимодействия двух плоских волн в каждом слое ПС. Для расчета коэффициента пропускания ПС использована матричная методика. Данный подход дает возможность не ограничиваться свойствами материалов слоев и их количеством. Это позволяет анализировать пропускание ультразвука произвольными слоистыми структурами.

В §3.3 рассмотрена принципиальная схема иммерсионного метода с лазерным источником ультразвука. Эта схема являлась основной при проведении OA диагностики различных модельных и реальных периодических структур и композитных материалов.

В §3.4 приведены экспериментальные результаты по OA диагностике модельных одномерных ПС, состоящих из оргстекла и воды. В полосе частот (0.5 + 6) МГц исследована зонная структура спектра пропускания ультразвука (рис.Зд). Подробно изучена ПС с дефектами, т.е. когда один или несколько слоев оргстекла' заменены водой (рис.Зб). В этом случае в зоне непрозрачности наблюдались локальные максимумы пропускания ультразвука, а зона прозрачности видоизменялась. Полученные экспериментальные данные хорошо совпали с результатами численного моделирования, выполненными по методике §3.2.

а)

8(0, отн. ед.

5 б П МГц

8(1), отн. ед.

5 6 £ МГц

Рис.3. Спектры пропускания ПС, состоящей из 10 слоев оргстекла и 9 слоев воды, (а) -<¿1 = 1.655 мм, =2.67 мм/мкс, с/2 = 0.94 мм, мм/мкс (расчет - жирная линия, эксперимент - тонкая линия); (б) - 5-ый и 8-ой слои оргстекла заменены водой (расчет -жирная линия, эксперимент - тонкая линия).

В §3.5 рассмотрена принципиальная схема оптико-акустического рефлектометра прибора, специально

сконструированного на основе схемы с косвенной регистрацией акустических сигналов для неразрушающего контроля и диагностики периодических структур и композитных материалов при одностороннем доступе к образцу или изделию. Иммерсионная методика, рассмотренная в §3.3, обладает существенными недостатками при исследовании готовых изделий, т.к. требует приготовления образцов в виде плоскопараллельных пластин. Кроме того, иммерсионный метод является непригодным для контроля изделий, к которым имеется только односторонний доступ. Поэтому рефлектометр использовался в дополнение к иммерсионной методике. Полученные с помощью такого прибора результаты неразрушающей ультразвуковой

диагностики композитов приведены в §3.6 и §4.4.

§3.6 и §3.7 посвящены ОА диагностике реальных ПС. В §3.6 на основе ультразвуковых измерений пропускания и рассеяния назад ультразвука проведена диагностика толщины и качества склейки ПС, состоящих из двух пластин алюминия, скрепленных эпоксидной смолой.

В §3.7 рассмотрена оптико-акустическая методика измерения пористости и толщины слоя пористого кремния на монокристаллической подложке. Метод основан на определении фазовой скорости ультразвука в двухфазной среде этанол/кремний.

Этанол использовался в данном случае в качестве иммерсионной среды, он же заполнял свободный объем пор. После проведения измерений этанол быстро испаряется из пористого слоя, не разрушая его первоначальную структуру. Используя теоретическую модель распространения акустических волн в двухфазной среде, найдено выражение, связывающее пористость кремния и фазовую скорость ультразвука в такой среде. Толщина пористого слоя на подложке была рассчитана из анализа результатов реверберации зондирующего ультразвукового импульса в слоистой- с[?еде "этанол -этанол/слой пористого кремния - кремниевая подложка - этанол". Таким образом, данный метод позволяет проводить измерения на образцах с минимальной толщиной

пористого слоя Лтщ=2мкм при пористости образцов 50*70 %.

Глава ГУ посвящена ОА методу неразрущающего контроля и диагностики композитных материалов.

В §4.1 проведен краткий обзор литературы по ультразвуковым исследованиям упругих свойств композитных материалов, их структуроскошш и дефектоскопии. В подавляющем большинстве работ в качестве зондирующих импульсов используются широкополосные акустические сигналы. Пространственное разрешение таких методов зависит от длительности зондирующих импульсов, а глубина зондирования - от их амплитуды. Применение лазерного возбуждения ультразвука представляется наиболее целесообразным для этой цели, т.к. позволяет получать мощные широкополосные акустические сигналы с хорошо контролируемой амплитудой и частотным спектром.

В §4.2 рассмотрена теоретическая модель распространения плоских акустических волн в однонаправленных (1-П) графито-эпоксидных (г/э) композитах в длинноволновом случае, т.е. когда длина волны ультразвука много больше характерного периода структуры. В таком случае зонная структура спектра пропускания вырождается, и композит может быть описан моделью анизотропного твердого тела. В этом приближении находится связь между фазовыми скоростями акустических волн и упругими модулями материала, описываемая уравнением Кристофеля:

I Гц - рУ^дц | = 0, (5)

где р - плотность материала, Гц= сцы Vj - тензор Кристофеля, сщ - матрица жесткости, V-, - направляющие косинусы волнового вектора.

*"'" В §4.3 описывается иммерсионная методика с применением лазерного возбуждения широкополосных продольных и сдвиговых акустических импульсов для

определения полного набора упругих модулей 1-Б г/э композитов. Показано, что дисперсия фазовой скорости продольных и поперечных волн в диапазоне 1-^15 МГц отсутствует. Измерепа анизотропия фазовых скоростей для всех типов упругих волн и построены их волновые поверхности (рис.4).

На основе полученных

экспериментальных данных рассчитан полный набор упругих модулей 1-И г/э композитов. Максимальная ошибка измерений для продольных и сдвиговых модулей составляет 3%, для смешанных - 6%.

§4.4 посвящен методу ОА дефектоскопии многонаправленных г/э композитов с помощью ОА рефлектометра, описанного в §3.5. ОА сигнал, возбуждаемый на лицевой поверхности композита, распространяется вглубь образца, где испытывает рассеяние на его неоднородностях. Рассеянный назад ультразвук регистрируется широкополосным приемником, т.е. измерения проводятся при одностороннем доступе к образцу. Исследовались г/э композиты с различными инородными включениями. Оптико-акустические сигналы, возбуждаемые в исследуемых образцах с использованием рефлектометра и зарегистрированные с помощью цифрового осциллографа, имеют характерный вид, представленный на рис.5. Они состоят из нескольких условных частей. Первый импульс большой амплитуды - зондирующий импульс, возбуждаемый при поглощении лазерного импульса в приповерхностном слое композита толщиной

порядка . Малая пространственная протяженность эталонного импульса А1 = 0.5+0.6 мм позволяет обнаруживать дефекты в образцах или изделиях из г/э композитов на глубине от 0.5 мм. Таким же (0.5 мм) будет разрешение по глубине, при этом латеральное разрешение определяется радиусом пучка на поверхности образца и

Рис. 4. Волновые поверхности в 1-0 графито-эпоксидном композите: (ЗЬ - квазипродольная волна, (ЗТ] - быстрая квазипоперечная волна, С>Т2- медленная квазипоперечная волна, ось Х\ - коллинеарна направлению укладки волокон.

составляет около 3 мм. Импульс, прошедший в образец и отраженный от его тыльной

поверхности - "донный импульс". Его

и, В

зондирующий ^ импульс

^структурный шум дефект

Г-X

донный импульс

I 2 4 6 8 10 12 14 16 и мкс

Рис.5. Временной профиль ОА сигнала, полученный с использованием рефлектометра для образца графито-эпоксидного композита, содержащего дефект уплотнения.

амплитуда значительно меньше амплитуды эталонного импульса, что говорит о существенном затухании ультразвука в композите. По разности времен прихода на пьезоприемник этих сигналов определяется фазовая скорость продольных акустических волн в образцах композитов: Уь =21/(/2 -/1) = 21/Л/ (Л/- время двойного пробега эталонного импульса по образцу известной толщины Ь). Часть зондирующего акустического импульса, отраженпая от дефекта приемником с временной задержкой,

структуры композита, регистрируется соответствующей пробегу ультразвука до дефекта в прямом и обратном направлениях.

Для выявления характера дефектов структуры композитов и глубины их залегания осуществлялась математическая обработка экспериментальных данных с использованием спектрального и корреляционного анализа. На рис.6 представлена

нормированная на затухание

АКФ,'ота. ед.

Рис. 6. Автокорреляционная функция ОА сигнала для образца графито-эпоксндного композита, содержащего дефект уплотнения.

ультразвука в композите

автокорреляционная функция (АКФ) сигнала, представленного на рис.5, в пространственном масштабе г -(временной масштаб тот же, что и на рис.5). По знаку корреляционной функции определялся характер дефекта. Трехполярные "всплески" с положительным центральным пиком будут характеризовать дефекты уплотнения, а с отрицательным пиком - дефекты разрежения плотности типа

расслоений или воздушных раковин. На рис.6 отчетливо виден всплеск,

соответствующий глубине залегания дефекта уплотнения, отраженный от которого

импульс был практически неразличим во временном треке ОА сигнала (см. рис.5).

В заключении сформулированы основпые результаты работы.

1. Разработана и экспериментально реализована методика прямого измерения пространственного распределения интенсивности света в сильно рассеивающих свет средах по абсолютной величине давления переднего фронта оптико-акустического сигнала. Временной фронт оптико-акустического сигнала, возбуждаемого в исследуемой среде, в случае короткого лазерного импульса повторяет пространственное распределение тепловых источников, т.е. пространственное распределение интенсивности света.

2. На основе импульсного оптико-акустического эффекта разработана и практически реализована методика прямого одновременного измерения коэффициентов поглощения и приведенного рассеяния сильно света рассеивающих сред. Созданная экспериментальная установка дает возможность измерять коэффициент экстинкции света в диапазоне (1.5*100) см"1 при коэффициенте поглощения от 0.05 см'1.

3. С использованием источников стандартных оптико-акустических сигналов разработана и практически реализована методика измерения пропускания ультразвука одномерными периодическими структурами. Частотный диапазон исследования определяется только спектром возбуждаемых сигналов и может простираться от 0.1 МГц до 100 МГц.

4. Спектр пропускания ультразвука одномерных периодических структур представляет собой зонную структуру полос прозрачности и непрозрачности. Дефекты структуры приводят к возникновению в запрещенной зоне одного или нескольких локальных максимумов, а зона прозрачности видоизменяется.

5. Разработана и практически реализована методика оптико-акустической диагностики пористого кремния. Данная методика позволяет проводить неразрушакяцие измерения пористости и толщины пористого слоя на подложке на образцах с толщиной пористого слоя от 2 мкм до 40 мкм при пористости образцов (50*70)%. Относительная ошибка измерения пористости составляет (3*5)%. Абсолютная погрешность измерения толщины пористого слоя составляет 1мкм.

6. На основе комплекса широкополосной оптико-акустической спектроскопии продольных и сдвиговых волн исследовано распространение широкополосных

продольных и сдвиговых акустических сигналов в однонаправленных графито-эпоксидпых композитах. Обнаружено отсутствие частотной дисперсии в длинноволновом случае. Построены волновые поверхности для квазипродольных и квазипоперечных волн в широком диапазоне углов их распространения. Обнаружено, что фазовая скорость продольной акустической волны вдоль волокон может в 3 раза превосходить ее скорость поперек волокон.

7. Разработана и практически реализована методика измерения полного набора упругих модулей однонаправленных графито-эпоксидных композитов по экспериментально измеренным фазовым скоростям упругих волн. Максимальная ошибка измерения для продольных и сдвиговых модулей составляет 3%, для смешанных - 6% при толщине образцов (3*12) мм.

8. Разработана и практически реализована методика неразрушающей структуроскопии и дефектоскопии многонаправленных графито-эпоксидных композитов по рассеянным назад оптико-акустическим сигналам при одностороннем доступе к объекту контроля. Метод позволяет обнаружить дефекты типа несплошностей, расслоений или инородных включений в композитах на глубинах от 0.5 мм до 30 мм.

Основпые результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

[1] Карабутов A.A., Керштейн И.М., Пеливанов ИМ., Подымова Н.Б. Распространение широкополосных акустических сигналов в однонаправленных волокнистых композитах. // Вестник МУ. Серия 3. Физика, Астрономия. 1997. №5. С.47

[2] Карабутов A.A., Керштейн И.М., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. Исследование упругих свойств однонаправленных графито-эпоксидных композитов лазерным ультразвуковым методом. // Механика композитных материалов. 1998. Т.34(6). С.811.

[3] Карабутов A.A., Керштейн КМ., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. Распространение продольных и сдвиговых акустических видеоимпульсов в однонаправленных графито-эпоксидных композитах. //Акуст. Журн. 1999. Т.45(1). С.105.

[4] Karabutov A.A., Pelivanov I.M., Podymova N.B., Skipetrov S.E. Direct measurement of the spatial distribution of light intensity in a scattering medium. // JETF Lett. 1999. Vol.70(3). P. 183.

[5] Карабутов А. А., Пеливанов И. M., Подымова H. Б., Скипетров CE. Измерение оптических характеристик рассеивающих сред оптико-акустическим методом. // Квантовая электроника. 1999. Т.29(3). С.215.

[6] Карабутов A.A., Керштейн И.М., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. Измерение полного набора упругих модулей однонаправленных графито-эпоксидных композитов лазерным оптико-акустическим методом. // Тезисы конф. "Современные проблемы механики". 1999. С.228.

[7] Карабутов A.A., Керштейн И.М., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. Диагностика дефектов структуры композитов лазерным оптико-акустическим методом. // Тезисы конф. "Современные проблемы механики". 1999. С.229.

[8] Karabutov A.A., Oraevsky A.A., Pelivanov IM., Podymova N.B., Skipetrov S.E. Direct measurement of absorbed light spatial distribution in turbid media by time-resolved opto-acoustic method. // Pros. SPIE. 2000. Vol.3916. P. 112.

[9] Карабутов A.A., Кожушко B.B., Пеливанов ИМ., Подымова Н.Б. Исследование оптико-акустическим методом прохождения широкополосных ультразвуковых импульсов через периодические одномерные структуры. // Акуст. Журн. 2000. Т.46(4). С.510.

[10] Карабутов A.A., Кожушко В.В., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. Неразрушающая

диагоностика одномерных периодических структур лазерным ультразвуковым методом по спектрам пропускания широкополосных акустических импульсов. П Тезисы конф. "Механика композитных материалов". 2000. С.115.

[11] Карабутов A.A., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. "Неразрушающий контроль дефектов структуры графито-эпоксидных композитов лазерным ультразвуковым методом. // Тезисы конф. "Механика композитных материалов". 2000. С.116.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Пеливанов, Иван Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. Теоретическая модель импульсного оптико-акустического эффекта в однородно поглощающей свет среде и возможности его применения в диагностике оптических, акустических и механических свойств гетерогенных сред.

§1.1. Передаточные функции термооптических источников ультразвука в однородно поглощающих свет средах.

§1.2. Временные профили оптико-акустических сигналов и их трансформация при распространении в линейной среде.

Глава II. Прямое измерение пространственного распределения интенсивности света в сильнорассеивающих средах и их оптических характеристик.

§2.1. Краткий обзор методов диагностики оптических свойств сильнорассеивающих конденсированных сред.

§2.2. Теоретический расчет пространственного распределения интенсивности света в условиях многократного рассеяния.

§2.3. Теоретическая модель импульсного оптико-акустического эффекта в рассеивающей среде.

§2.4. Измерение пространственного распределения интенсивности света и оптических характеристик рассеивающих конденсированных сред.

Глава III. Неразрушающий контроль и диагностика одномерных периодических структур лазерным ультразвуковым методом.

§3.1. Краткий обзор литературы по неразрушающей диагностике акустических и механических свойств периодических структур.

§3.2. Теоретическая модель распространения плоских акустических волн в одномерных периодических структурах.

§3.3. Общая схема иммерсионного метода с лазерным источником ультразвука.

§3.4. Измерение коэффициента пропускания ультразвука одномерными периодическими структурами в широкой полосе частот.

§3.5. Принципиальная схема оптико-акустического рефлектометра.

§3.6. Диагностика толщины и качества склейки слоистых структур.

§3.7. Диагностика пористости и толщины слоя кремния на монокристаллической подложке.

Глава IV. Неразрушающий контроль и диагностика композитных материалов импульсным оптико-акустическим методом.

§4.1. Краткий обзор литературы по ультразвуковым методам неразрушающего контроля и диагностики композитных материалов.

§4.2. Теоретическая модель распространения ультразвука в однонаправленных графито-эпоксидных композитах: длинноволновый случай.

§4.3. Иммерсионный метод измерения полного набора упругих модулей однонаправленных графито-эпоксидных композитов.

§4.4. Дефектоскопия многонаправленных графито-эпоксидных композитов методом корреляционного анализа рассеянных назад широкополосных акустических сигналов.

Основные результаты.

Введение диссертация по физике, на тему "Лазерная оптико-акустическая диагностика гетерогенных сред"

Исследование физических свойств и внутренней структуры неоднородных конденсированных сред является важным в многочисленных задачах как фундаментального, так и прикладного характера. Среди них можно отметить разработку новых неинвазивнщх методов диагностики биологических тканей и объектов, неразрушающий контроль конструкционных материалов на различных стадиях изготовления, а также в процессе эксплуатации деталей и изделий.

Для решения таких задач целесообразно использовать оптико-акустический (ОА) эффект - термооптическое возбуждение акустических волн в среде при поглощении в ней модулированного по интенсивности светового (лазерного) излучения [1,3]. Параметры ОА сигналов определяются как характеристиками поглощенного излучения, так и оптическими, теплофизическими и акустическими свойствами поглощающей среды. Это позволяет проводить измерения указанных свойств исследуемой среды по временному профилю давления ОА сигнала. Подбирая соответствующим образом характеристики лазерного излучения и поглощающей среды, можно получить мощные широкополосные ультразвуковые импульсы, применение которых необходимо в задачах акустической спектроскопии и ультразвукового неразрушающего контроля композитных материалов.

Исследование распространения оптического излучения в светорассеивающих средах и, в частности, распределения поглощающих и рассеивающих неоднородностей, является фундаментальной научной проблемой [10]. В последнее время интерес к этой проблеме в значительной мере связан с развитием лазерной диагностики и терапии биологических сред и тканей (см., например, [11]). Измерение оптических характеристик таких сред необходимо как для расчета распределения излучения внутри биологической среды так и для определения его оптимальной дозировки, а также для решения прямой задачи оптической томографии [12-14].

При поглощении в среде лазерного импульса с длительностью, много меньшей времени пробега акустической волны по области тепловыделения, профиль давления оптико-акустического сигнала повторяет пространственное распределение тепловых источников в среде [9]. В случае однородно поглощающей и рассеивающей среды в приближении плоской световой волны это распределение совпадает с пространственным распределением интенсивности света в среде. Таким образом, применение оптико-акустического эффекта в задачах измерения оптических свойств рассеивающих сред представляется весьма перспективным.

С развитием технологии полупроводниковых приборов, в частности интегральных схем, представляющих собой сложную многослойную структуру с использованием полупроводников разного типа проводимости, возрос интерес к изучению свойств периодических структур (ПС). Возможность получения и применения в технологии новых материалов, у которых по аналогии с полупроводниковыми структурами будет периодически меняться некоторая физическая величина, объясняет повышенный интерес к изучению композитов. Интересным эффектом является наличие диапазонов прозрачности и непрозрачности, которые наблюдаются для различных типов излучения в спектре пропускания ПС. В оптике последние используются, например, при изготовлении диэлектрических фильтров и зеркал резонаторов, которые представляют собой чередующиеся слои с различными диэлектрическими постоянными, или для трехмерной оптической записи информации [44]. Слоистые среды, полученные из оптически нелинейных полимерных материалов, находят применение в динамической голографии, зеркалах с обращением волнового фронта, двумерном оптическом воспроизведении [58]. В гидроакустике ПС с различными акустическими импедансами используются в качестве резонансных покрытий микрофонов, отражающих экранов, сонаров и при конструировании систем подводного обнаружения. Возможно применение таких структур в системах высокоточного машиностроения для уменьшения вибрации оборудования в заданном диапазоне частот.

В связи с развитием микроэлектроники в последнее время интенсивно исследуется ситуация, когда один из слоев ПС заменяется материалом со свойствами (показатель преломления, тип проводимости, коэффициент поглощения, плотность и т.д.), нарушающими периодичность. В этом случае в зоне непрозрачности спектра пропускания электромагнитного излучения появляется узкий локальный максимум [58]. Подобная ситуация имеет место, когда в кристаллическую решетку полупроводника внедряют атом примеси, который дает разрешенное энергетическое состояние в запрещенной зоне.

Возможность экспериментального исследования на макро уровне при использовании ультразвуковой техники эффектов, аналогичных тем, которые имеют волновую природу и возникают при электромагнитном взаимодействии, объясняет интерес к изучению ПС в акустике. Кроме того, большинство композитных материалов (сред, представляющих собой соединение двух или нескольких веществ со схожими акустическими импедансами, но с различными жесткостями) имеют периодическую или слоистую структуру. Поэтому исследование акустических свойств таких структур является важным и актуальным. Использование ОА эффекта для возбуждения мощных широкополосных зондирующих ультразвуковых импульсов позволяет проводить спектроскопию указанных сред в широкой полосе частот в реальном масштабе времени [71].

Применение композитных материалов в авиастроении и машиностроении позволяет уменьшить вес конструкций и существенно повысить их прочность. Значительное распространение получили графито-эпоксидные и стеклопластиковые композиты. В связи с этим возникла потребность в разработке неразрушающих методов контроля их прочностных характеристик. Теоретические методы расчета матрицы жесткости композитов из анализа микроструктуры их компонент [120-123] являются очень сложными и громоздкими, и в большинстве случаев не дают информацию о прочности конструкции. Поэтому для описания упругих свойств композитов обычно вводят усредненные макроскопические характеристики - упругие модули.

Дефекты структуры композита, такие как трещины, воздушные раковины, свили, отслоения волокон от матрицы, инородные включения и т.д., появляющиеся как на стадии изготовления, так и в процессе эксплуатации, существенно ослабляют его прочность. Большинство композитных материалов подвержены старению [100], т.е. их упругие свойства меняются под действием динамических и статических нагрузок. Такие процессы приводят к изменению затухания и скорости распространения ультразвуковых волн в композите [76,110,111]. Поэтому одним из наиболее распространенных методов неразрушающего контроля и диагностики композитных материалов является ультразвуковой метод. Он основан на исследовании затухания или скоростей упругих волн при их распространении в композите. По значениям фазовых скоростей акустических волн можно рассчитать упругие модули трансверсально-изотропных и ортотропных композитов [68,80,101,104,117]. Однако вычисление полного набора модулей упругости для композитов с более сложным характером анизотропии внутренней структуры представляет значительные трудности. В этом случае необходим анализ частотных зависимостей коэффициентов пропускания, отражения или затухания ультразвука в композите в широком спектральном диапазоне [109]. Исследование трансформации спектров затухания ультразвука в композитах при усталостных изменениях структуры дает возможность оценить их остаточный ресурс [112]. Однако применение для этой цели традиционных ультразвуковых методов, использующих пьезопреобразователи для генерации акустических импульсов, затруднено прежде всего из-за низкой эффективности возбуждения широкополосных акустических сигналов [108,109,113]. Использование О А эффекта в оперативных методах неразрушающего контроля и диагностики композитных материалов позволяет устранить данную трудность [69,77,80,112].

Изображение внутренней структуры гетерогенных сред может быть получено методами оптической томографии [12-16], электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Хотя эти методы обеспечивают получение детальной картины особенностей структуры, они не дают возможность напрямую связать эти особенности с физическими свойствами объекта и предсказать динамику изменения структуры материала. Например, для пористого кремния - материала, получаемого путем электрохимического травления в растворах кислот [83,84] и имеющего ряд перспективных применений в оптике и электронике [86-92], важнейшими макроскопическими характеристиками являются его теплопроводность, пористость и толщина вытравленного пористого слоя. Степень пористости образца определяется обычно гравиметрическим методом [94]. Для определения пористости существуют также методы газовой и жидкостной порометрии, рентгеноструктурный метод [95]. Однако эти методы обладают либо невысокой точностью, либо имеют разрушающий характер измерений. Пористость материала существенно влияет на его акустические характеристики (скорость и затухание ультразвука). Поэтому для диагностики указанных свойств пористого кремния представляется перспективным применение оптико-акустического эффекта, позволяющего получать короткие и мощные акустические импульсы с известной амплитудой и частотным спектром.

Целью диссертационной работы является! разработка методов лазерной оптико-акустической диагностики оптических, акустических и механических свойств гетерогенных сред.

Задачи исследования:

3. Экспериментально исследовать влияние дефектов в периодической структуре на спектр пропускания ультразвука.

Научная новизна:

3. Методом широкополосной оптико-акустической спектроскопии исследованы особенности зонной структуры спектра пропускания ультразвука одномерными периодическими структурами, состоящими из чередующихся слоев оргстекла и воды, в частотном диапазоне (0.5-И0) МГц и изучено влияние дефектов структуры на спектр пропускания ультразвука.

4. С использованием лазерных источников широкополосных ультразвуковых импульсов экспериментально исследовано распространение продольных и сдвиговых акустических волн и построены их волновые поверхности в однонаправленных графито-эпоксидных композитах.

Практическая ценность:

Защищаемые положения:

1. Лазерный оптико-акустический метод позволяет проводить прямые измерения пространственного распределения интенсивности света в сильнорассеивающих конденсированных средах. Коэффициент экстинкции света определяется по экспоненциальной аппроксимации переднего фронта оптико-акустического сигнала.

2. Оптические характеристики сильнорассеиваищих конденсированных сред -коэффициент поглощения и приведенный коэффициент рассеяния света -определяются по временному профилю давления оптико-акустического сигнала при известных теплофизических параметрах среды.

3. Методика широкополосной оптико-акустической спектроскопии с лазерными источниками ультразвука позволяет проводить измерения пропускания акустических волн одномерными периодическими структурами в полосе частот 0.1-4-100 МГц в реальном масштабе времени. Дефекты в таких структурах приводят к возникновению одного или нескольких локальных максимумов в запрещенной зоне пропускания ультразвука. Амплитуда и положение локального максимума в зоне непрозрачности зависят от расположения дефектного слоя.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [2729,68,69,71,72,77,80,117,118].

Личный вклад соискателя Результаты, представленные в диссертации, получены лично соискателем или в соавторстве при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 171 страница, в том числе 45 рисунков, 4 таблицы. Список литературы включает 123 наименования.

Заключение диссертации по теме "Лазерная физика"

Основные результаты.

2. На основе импульсного оптико-акустического эффекта разработана и практически реализована методика прямого одновременного измерения коэффициентов поглощения и приведенного рассеяния света сильно рассеивающих сред. Созданная экспериментальная установка дает возможность измерять коэффициент экстинкции света в диапазоне 1.5-100 см"1 при коэффициенте поглощения от 0.05 см"1.

5. Разработана и практически реализована методика оптико-акустической диагностики пористого кремния. Данная методика позволяет проводить неразрушающие измерения пористости и толщины пористого слоя на подложке на образцах с толщиной пористого слоя от 2 мкм до 40 мкм при пористости образцов 50+70%. Относительная ошибка измерения пористости составляет 3+5%. Абсолютная погрешность измерения толщины пористого слоя составляет 1мкм.

6. На основе комплекса широкополосной оптико-акустической спектроскопии продольных и сдвиговых волн исследовано распространение широкополосных продольных и сдвиговых акустических сигналов в однонаправленных графито-эпоксидных композитах. Обнаружено отсутствие частотной дисперсии в длинноволновом случае. Построены волновые поверхности для квазипродольных и квазипоперечных волн в широком диапазоне углов их распространения. Обнаружено, что фазовая скорость продольной акустической волны вдоль волокон может в 3 раза превосходить ее скорость поперек волокон.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Пеливанов, Иван Михайлович, Москва

1. Карабутов А.А., Матросов М.П., Подымова Н.Б., Пыж В.А. Импульсная акустическая спектроскопия с лазерным источником звука. // Акуст. журн. 1991.Т.37(2). С.311.

2. Карабутов А.А., Матросов М.П., Подымова Н.Б. Термооптический генератор широкополосных импульсов сдвиговых волн. // Акуст. журн. 1993.Т.39(2). С.373.

3. Гусев В. Э., Карабутов А. А. Лазерная оптоакустика. IIМ.: Наука. 1991. 304 с.

4. Ахманов СЛ., Руденко О.В. Параметрический лазерный излучатель ультразвука. // Письма в ЖТФ. 1975. T.l(15). С.725.

5. Бахвалов Н.С., Жилейкин Я.М., Заболоцкая Е.А. Нелинейная теория звуковых пучков. IIМ.: Наука. 1982. 176 с.

6. Courant R., Gilbert D. Methods of mathematical physics II. //N.-Y.: Interscience, 1962.

7. Виноградова M.S., Руденко O.B., Сухорукое А.П. Теория волн. IIМ.: Наука, 1990. 432 с.

8. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. II JL: Судостроение. 1981.

9. Karabutov А.А., Podymova N.B., Letokhov V.S. Time-resolved laser optoacoustic tomography of inhomogeneous media. // Appl. Phys. B. 1996. Vol.63. P.545.

10. Кузьмин B.JI., Романов В.П. Характерные эффекты при рассеянии света в неупорядоченных системах. //УФН. 1996.Т.166. С.247.

11. Тучин В.В. Исследование биотканей методами светорассеяния. // УФН. 1997.Т.167. С.517.

12. Cutler М. Transillumination as an aid in the diagnosis of breast lesions. // Surg. Gynecol. Obstet. 1929. Vol.48. P.721.

13. Feng S, Zeng F., and Chance B. Monte Carlo simulation of photon migration path distribution in multiple scattering media. // SPIE. 1993. Vol.1888. P.788.

14. Hee, J. A. Izatt, E. A. Swanson, and J. G. Fujimoto. Femptosecond transillumination tomography in thick tissues. //Opt. Let. 1993. Vol.18. P.1107.

15. Wang L., and Jacques S. L. Application of probability of n scatterings of light passing trough an idealized tissue slab in breast imaging. // Proc. of Advanced in Optical Imaging and Photon Migration. 1994. P. 181.

16. Graff R., Dassel A.C.M., Koelink M.H., de Mul F.F.M., Aarnoudse J.G., Zijistra W.G. Optical properties of humen dermis in vitro and in vivo. Appl. Opt. 1993. Vol.32(4). P.435.

17. Cheong W.F., Prahl S.A, Welch A.J. A review of the optical properties of biological tissues. // IEEE J. Quant. Electr. 1990. Vol.26(12). P.2166.

18. Gardner C.M., Jacques S.L., Welch A.J. Light transport in tissue: Accurate expressions for one-dimensional fluence rate and escape function based upon Monte Carlo simulation. // Lasers in Surgery Med. 1996. Vol.18. P.129.

19. Jacques S.L. Light distributions from point, line, and plane sources for photochemical reactions and fluorescence in turbid biological tissues. // Photochemistry and photobiology 1998. Vol.67(l). P.23.

20. Farrel T.J., Patterson M.S., Wilson B.C. A diffusion theory of spatial resolved, steady-state diffuse reflectance for noninvasive determination of tissue optical properties in vivo. II Med. Phys. 1992. Vol. 19(4). P.879.

21. Farrel Т. J., Patterson M.S., Wilson B.C. The use of a neural network to determine tissue optical properties from spatially resolved diffuse reflectance measurements. // Med. Phys. Biol. 1992. Vol.37. P.2281.

22. Jacques S.L., Gutshe A., Schvartz J., Wang L., Tittel F.K. Video reflectometry to specify optical properties of tissue in vivo. IISPIE. 1993. IS-11. P.211.

23. Aslanov L.A., Karabutov A.A., Podymova N.B., Schenk H., Zaharov V.N. II Laser Phys. 1996. Vol.6(6).P.l 105.

24. Oraevsky A.A., Jacques S.L., Esenaliev R., Tittel F.K. Direct measurement of fluence distribution and optoacoustic imaging in heterogeneous tissue. // Pros. SPIE. 1995. Vol.2323. P.27.

25. Karabutov A.A., Pelivanov I.M., Podymova N.B., Skipetrov S.E. Direct measurement of the spatial distribution of light intensity in a scattering medium. // JETF Lett. 1999. Vol.70(3). P. 183.

26. Карабутов А. А., Пеливаное И. M., Подымова Н. Б., Скипетров С.Е. Измерение оптических характеристик рассеивающих сред оптико-акустическим методом. // Квантовая электроника. 1999. Т.29. №3. С.215.

27. Karabutov А.А., Oraevsky А.А., Pelivanov I.M., Podymova N.B., Skipetrov S.E. Direct measurement of absorbed light spatial distribution in turbid media by time-resolved optoacoustic method. // Pros. SPIE. 2000. Vol.3916. P.l 12.

28. Морс Ф.М., ФешбахГ. Методы теоретической физики. И М.: Физматгиз. 1958.

29. Chandrasekhar S. Radiative transfer.llN.Y.: Acad. Press, 1960.

30. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. II М.: Наука, 1981.

31. Glasston S., Edlund М.С. The elements of nuclear reactor theory. II Van Nostrand. Prinseton. N.J. 1952.

32. Duderstadt J.J., Hamilton L.J. Nuclear reactor analysis. II Wiley. N.Y.1976.

33. O'Leary M.A., Boas D.A., Chance В., Yodh A. Refraction of diffuse photon density waves. // Phys. Rev. Lett. 1992. Vol.69. P.2658.

34. Haskell R.C., SwaasandL.V., Tsay Т., Feng Т., McAdams M.S., Tromberg B.J. Boundary conditions for the diffusion equation in radiative transfer. // J. Opt. Soc. Am. A. 1994. Vol.11(10). P.2727.

35. McKenzie A.L., Allen V. The modified diffusion dipol model. Internal reflection of diffuse light in random media. // Phys. Med. Biol. 1991. Vol.36(12). P.1621.

36. Ben-Abraham D., Taitelbaum H., Weiss G.H. Boundary conditions for a model of photon migration in a turbid medium. // Lasers Life Sci. 1991. Vol.4. P.29.

37. Zhu J.X., Pine D.J., Weitz D.A. Internal reflection of diffusive light in random media. // Phys. Rev. A. 1991. Vol.44. P.3948.

38. Karabutov A.A., Podymova N.B., Letokhov V.S. Time-resolved optoacoustic tomography of ingomogeneous media. // Appl. Phys. B. 1996. V.63(6). P.545.

39. Андреев В.Г., Карабутов A.A., Руденко O.B. Метод калибровки широкополосных гидрофонов в ультразвуковых пучках конечной амплитуды. // Вестник Моск. Унив. 1984. Сер.З. Т.25(4). С.74.

40. Физические величины. Справочник.//М.:Энергоатомиздат. 1991.

41. Astratov V.N., Whittaker D.M., Culshaw I.S., et al. Photonic band-structure effects in the reflectivity of periodically patterned waveguides. // Phys. Rev. B. 1999.Vol.60(24). P.16255.

42. Koroteev N.I., Magnitskii S.A., Tarasishin A.V. et al. High-density three-dimensional optical data storage with photonic band-gap structures. // Laser Phys. 1999. Vol.9(6). P.1253.

43. Li Z.Y., Lin L.L., Gu B.Y., et al. Photonic band gaps in anisotropic photonic crystals. // Physical 2000. Vol.279(l-3) P.159.

44. Andreev A. V., Andreeva O.A., Balakin A. V., Boucher D., Masselin P., Ozheredov I.A., Prudnikov I.R., Shkurinov A.P. Mechanisms of second-harmonic generation in one-dimentional periodic media. // Quantum Electronics. 1999. Vol.29(7). P.632.

45. Berger V., Gauthier-Lafaye O. and Costard E. Fabrication of a 2D photonic bandgap by a holographic method. // Electron. Lett. 1997. Vol.33. P.425.

46. Zheltikov A.M., Koroteev N.I., Magnitskii S.A., Tarasishin A. V. Compression of light pulses in photonic crystals. // Quantum Electronics. 1998. Vol.28(10). P.861.

47. Zheltikov A.M., Koroteev N.I., Magnitsky S.A., Tarasishin A. V. Self-phase modulation and compression of short laser pulses in a nonlinear photonic crystal. // Изв. Акад. Наук. (Физ.) 1999. Т.63(4). С.717.

48. Barra A, Cassagne D, Jouanin С. Existence of two-dimensional absolute photonic band gaps in the visible. Appl. Phys. Lett. 1998. Vol72(6). P.627.

49. Kushwaha M.S., Halevi P. Ultra wideband filter for noise control. // J. Appl. Phys. 2. 1997. Vol.36(8A). P.1043.

50. Kushwacha M. S. Collective exation in n-i-p-i superlatices: Finite- size effects. // J. Appl. Phys. 1994. Vol.76(2). P.942.

51. Kushwacha M. S. Intrasubband plasmons in semi-infinite n-i-p-i semiconductor superlattices. // Phys. Rev. B. 1992. Vol.45(l 1). P.6050.

52. Weisbuch C., Benisty H., Houdre R. Overview of fundamentals and applications of electrons, excitons and photons in confined structures. // 2000. J. Lumin. Vol.85(4). P.271.

53. Yablonovitch E. Photonic band structure. // Optics & Photonics News. 1991. Vol.2. P.27.

54. Yablonobitch E. Photonic band-gap structures. // J. Opt. Soc. Am. B. 1993. Vol.10. P.283.

55. Hattori, N. Tsurumashi, and H. Nakatsuka. Analysis of optical nonlinerity by defect states in one-dimensional photonic crystals. // J. Opt. Soc. Am. B. 1997. Vol. 14(2). P.348.

56. Scott W. R., Gordon P. F. Ultrasonic analysis for nondestructive testing of layered composite materials. // J. Acoust. Soc. Am. 1977. Vol.62(l). P.108.

57. James R., Woodley S. M., Dyer C. M. and Humphrey V. F. Sonic bands, bandgaps, and defect states in layred structures — Theory and experiment. // J. Acoust. Soc. Am. 1995. Vol.97(4) P.2041.

58. Kushwacha M. S. Stop-band for periodic metallic rods: Sculptures that can filter the noise. //Appl. Phys. Lett. 1997. Vol.70(24) P.3218.

59. Young-Sang Joo, Jeong-Guon Ih, Myoung-Seon Choi. Inherent background coefficients for acoustic resonance scattering from submerged, multilayered, cylindrical structures. // J. Acoust. Soc. Am. 1998. Vol. 103(2). P. 900.

60. Maidanic G., Becker K.J. Potential for the presence of additional stop-bands in the modal response of regularly ribbed cylinders. // J. Acoust. Soc. Am. 1998. Vol. 104(2). P. 700.

61. Kushwacha M. S., Halevi P., Dobrsynski L. and Djafari-Rouchani B. Acoustic band structure of periodic elastic composites. // Phys. Rev. Lett. 1993. Vol.71(13). P. 2022.

62. Kushwacha M. S., Halevi P. Stop band for cubic arrays of spherical ballons. // J. Acoust. Soc. Am. 1997. Vol.lOl(l). P. 619.

63. Nayfeh A. The general problem of elastic wave propagation in multilayered anisotropic media. // J. Acoust. Soc. Am. 1991. Vol.89(4). P. 1521.

64. Robertson W.M., Rudi J.F. Measurements of acoustic stop bands in two-dimensional periodic scattering arrays. // J. Acoust. Soc. Am. 1998. V. 104(2). P. 694-699.

65. Карабутов A.A., Керштейн KM., Пеливанов KM., Подьгмова Н.Б. Распространение широкополосных акустических сигналов в однонаправленных волокнистых композитах. // Вестник МУ. Серия 3. Физика, Астрономия. 1997. №5. С.47.

66. Карабутов А.А., Керштейн КМ., Пеливанов КМ., Подымова Н.Б. Распространение продольных и сдвиговых акустических видеоимпульсов в однонаправленных графито-эпоксидных композитах. // Акуст. Журн. 1999. Т.45(1). С.105.

67. Hosten В., Deschamps М. Inhomogeneous wave generation and propagation in lossy anisotropic solids. Application to the characterisation of viscoelastic composite materials. // J. Acoust. Soc. Am. 1987. Vol.82(5). P. 1763.

68. Карабутов A.A., Кожушко B.B., Пеливанов KM., Подымова Н.Б. Исследование оптико-акустическим методом прохождения широкополосных ультразвуковых импульсов через периодические одномерные структуры. // Акуст. Журн. 2000. Т.46. №4. С.510.

69. Kee C.S., Kim J.E., Park H.Y., et al. Essential role of impedance in the formation of acoustic band gaps. // J. Appl. Phys. 2000. Vol.87(4). P. 1593.

70. Bal G., Keller J.B., Papanicolaou G., Ryzhik L. Transport theory for acoustic waves with reflection and transmission at interfaces. // Wave Motion. 1999.Vol.30(4). P.303.

71. Hut chins D.A., Dewhurst R.J., Pulmer S.B., Scruby C.B. Laser generation as a standard acoustic sours in metals. 11 Appl. Phys. Lett. 1981. Vol.38(9). P.677.

72. Карабутов А.А., Мурашов В.В., Подымова Н.Б. Диагностика слоистых композитов с помощью лазерного оптико-акустического преобразователя. // Механика композитных материалов. 1999. Т.35(1). С. 125.

73. Карабутов АА., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. "Неразрушающий контроль дефектов структуры графито-эпоксидных композитов лазерным ультразвуковым методом. // Тезисы конф. "Механика композитных материалов". 2000. С.116.

74. Nagy Р.В., Rypien D. V., Adler L. Ultrasonic attenuation measurement by backscattering analysis. // Rev. of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation. 1987. Vol.6b. P.1411.

75. Margetan F.J., Thompson R.B., Yalda-Mooshabad I. Backscattered microstructural noise in ultrasonic toneburst inspections. // J. Nondest. Evaluation. 1994. Vol. 13(3). P. 111.

76. Карабутов АА., Керштейн KM., Пеливанов KM., Подымова Н.Б. Исследование упругих свойств однонаправленных графито-эпоксидных композитов лазерным ультразвуковым методом. // Механика композитных материалов. 1998. Т.34(6). С.811.

77. Fitting D.W., Adler L. Ultrasonic spectral analysis for nondestructive evaluation. II N.Y.: Plenum Press. 1981.

78. Uhlir A. Electrolytic shaping of germanium and silicon. // Bell Syst. Technol. J. 1956. Vol.35(2). P.333.

79. Свечников C.B., Саченко A.B. и др. Светоизлучающие слои пористого кремния: получение, свойства и применение. // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. -Киев: Наукова думка, 1994. Т.27. С.З.

80. Кашкаров П.К., Тимошенко В.Ю. Люминесценция пористого кремния. // Природа. 1995. №12.

81. Parkhutik V.P., Albella J.M., Martinez-Duart J.M. et al. Different types of pore structure in porous silicon. // Appl. Phys. Lett. 1993. Vol.62(4). P. 366.

82. Canham L.T. Quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers. //Appl. Phys. Lett. 1990. Vol.57(10). P.1046.

83. Демидович B.M., Демидович Г.Б. и др. Влияние абсорбции на перенос заряда в системе пористый кремний-металл. // Вестник Моск. Ун. 1996. сер. 3. Физика, Астрономия. №4. С.99.

84. J. Biophotonics International. 1998. V.l. P. 32.

85. Menna P., Di Francia G., La Ferrara V. Porous silicon in solar cells: a review and a description of its application as an AR coating. // Sol. Energ. Mat. Solar Cells. 1995. Vol.37. P.13.

86. Frohnhoff S., Berger M.G. Thonissen M., Dieker C. Formation techniques for porous silicon superlattices. // Porous silicon and related materials. Simposium F at the E-MRS Spring Conference. 1994. Strasbourg. France.

87. Mattel G„ Marucci A., Yakovlev V.A., Pagannone M. Porous silicon optical filters for application to laser technology. // Laser Physics. 1998. Vol.8(3). P.755.

88. Волков P.В., Гордиенко B.M. и др. Управление свойствами и диагностика фемтосекундной плотной плазмы с использованием модифицированных мишеней. // Квантовая электроника. 1997. Т.24(12). С.1114.

89. Beale M.J., Benjamin J.D., Uren M.J. et al. An experimental and theoretical study of the formation and microstructure of porous silicon. // J. Cryst. Growth. 1985. Vol.73(2). P. 622.

90. Образцов А.Н., Окуши X, Ватанабе X., Тимошенко В.Ю. Фотоакустическая спектроскопия пористого кремния. // Физика и техника полупроводников. 1997. Т.31(5). С.629.

91. Ратников В. В. Определение пористости синтетических опалов и пористого кремния рентгеновским методом. // Физика твердого тела. 1997. Т.39(5). С.956.

92. Лепендин Л.Ф. Акустика. IIМ.: Высшая школа, 1978.

93. Скучик Е. Основы акустики. IIМ.: Мир, 1976.

94. Бреховских Л.Н. Волны в слоистых средах. //М. : Наука, 1973.

95. Поляков В.В., Головин А.В. Влияние пористости на скорости ультразвуковых волн в металлах. // Письма в ЖТФ. 1994. T.20(l). С.54.

96. Hosten B. Reflection and transmission of acoustic plane waves on an immersed orthotropic and viscoelastic solid layer. // J. Acoust. Soc. Am. 1991. Vol.89(6). P.2745.

97. Kriz R.D., Stinchomb W.W. Elastic moduli of transversely isotropic graphite fibers and their composites. // Exp. Mech. 1979. Vol.l9(l). P.41.

98. Rokhlin S.I., Wang W. Critical angle measurement of elastic constants in composite material. // J. Acoust. Soc. Am. 1989. Vol.86(5). P. 1876.

99. Chu Y.C., Degtyar A.D., Rokhlin S.I. On determination of orthotropic material moduli from ultrasonic velocity data in nonsymmetry planes. // J. Acoust. Soc. Am. 1994. Vol.95(6). P.3191.

100. Chu Y.C., Rokhlin S.I. Comparative analysis of through-transmission ultrasonic bulk wave methods for phase velocity measurements in anisotropic materials. // J. Acoust. Soc. Am. 1994. Vol.95(6). P.3204.

101. Degtyar A.D., Rokhlin S.I. Absolute stress determination in orthotropic materials from angular dependencies of ultrasonic velocities. // J. Appl. Phys. 1995. Vol.78(3). P. 1547.

102. Vary A. Ultrasonic measurements of material properties. // Resonans techniques in nondestructive testing. 1980. Vol.4. P. 160.

103. Труэлл P., Элъбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. // М. 1972. 302 с.

104. Scott W.R., Gordon P.F. Ultrasonic spectral analysis for nondestructive testing of layered composite materials. // J. Acoust. Soc. Am. 1984. Vol.62(l). P. 108.

105. W.Hsu D.K., Nair S.M. Evaluation of porosity in graphite-epoxy composite by frequency dependence of ultrasonic attenuation. // Rev. of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation. 1987. Vol.6b. P.l 185.

106. Карабутов А.А., Подымова Н.Б. Неразрушающий контроль усталостных изменений структуры композитов лазерным ультразвуковым методом. // Механика композит, материалов. 1995. Т.31(3). С.405.

107. Karabutov А.А., Podymova N.B. Nondestructive material characterization by laser-excited longitudinal and shear acoustic waves. // Proc. SPIE. 1996. Vol.2713. P.423.

108. ИА.Кристенсен P. Введение в механику композитов. IIМ.: Мир. 1982. 334 с.

109. Дьелесан Э., РуайеД. Упругие волны в твердых телах. ИМ.: Наука. 1982. 424 с.

110. Петрашенъ Г.И. Распространение волн в анизотропных упругих средах. И JL: Наука. 1980. 280 с.

111. Карабутов А.А., Керштейн И.М., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. Измерение полного набора упругих модулей однонаправленных графито-эпоксидныхкомпозитов лазерным оптико-акустическим методом. // Тезисы конф. "Современные проблемы механики". 1999. С.228.

112. МЪ.Карабутов А.А., Керштейн И.М., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. Диагностика дефектов структуры композитов лазерным оптико-акустическим методом. // Тезисы конф. "Современные проблемы механики". 1999. С.229.

113. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Т. 1. // М.: Мир. 1983. 311с.

114. Hashin Z. The elastic moduli of geterogeneous materials. // J. Appl. Mech. 1962. Vol.29 P.143.121 .Hashin Z, Rosen B.W. The elastic moduli of fiber-reinforced materials. // J. Appl. Mech. 1964. Vol.31.P.223.