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

ргбТд8

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

' ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На оравах рукописи УДК 534.212+534.232

ПОДЬМОВА НАТАЛЬЯ БОРИСОВНА

ЛАЗЕРНАЯ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА НЕОДНОРОДНЫХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Исследование физических свойств и внутренней структура неоднородных конденсированных сред является важным в многочисленных задачах как фундаментального, так и прикладного характера. Среди них можно отметить разработку новых материалов (например, оптических, конструкционных, материалов для микроэлектроники), исследование динамических процессов в веществах (например, в биологических объектах), неразрушаюций контроль структуры конструкционных материалов на различдаж стадиях процесса изготовления, а также в процессе эксплуатации деталей и изделий.

Изображение внутренней структуры объекта может быть получено методами оптической, электронной шкроскопии я рентгеноструктурного анализа. Хотя эти методы обеспечивают получение детальной картины особенностей структуры, они не дают возможности напрямую связать эти особенности с физическими свойствами объекта и предсказать динамику изменения структуры материала. Поэтому актуальной является задача разработка оперативных методов измерения таких параметров объекта, которые впрямую связаны с его структурой. Этими параметрами во многих задачах диагностики являются оптические (поглощение света) и акустические (частотная зависимость затухания и дисперсия скорости звука) характеристики объекта.

Исследование поглощения света актуально в задачах определения молекулярного состава веществ, обнаружения примесей по спектрам поглощения света, контроля качества оптических материалов. Диагностика светопоглощаювдх неоднородноетей является актуальной для биологических объектов.

Измерение частотных зависимостей затухания и дисперсии скорости звука (ультразвуковая спектроскопия) позволяет осуществить неразрушаицую диагностику внутренней структуры материала, а также исследовать динашческие процессы в веществе.

Диагностику поглощения света и ультразвуковую спектроскопию целесообразно проводить с помощью оптико-акустического (04) эффекта - возбуждения звуковых волн в среде при поглощении в ней модулированного по интенсивности светового (лазерного)

поглощающей среды получать широкополосные акустические импульсы нано- и субнаносекундной длительности. Их применение в системах ультразвуковой спектроскопии дает возможность найти частотную зависимость затухания и скорости ультразвука в исследуемой среде в диапазоне вплоть до нескольких октав.

Однако в существующих методах ультразвуковой спектроскопии с использованием ОА эффекта возбуждение звукового сигнала осуществляется либо в самом исследуемом образце, либо в тонком поглощающей слое, нанесенном на образец. В первом случае затруднено исследование материалов с низкой эффективностью оптико-акустического преобразования. Во втором случае невозможно осуществление калибровки системы (определения частотной зависимости пропускания акустического тракта) из-за отсутствия источника звуковых сигналов с известным спектром.

Для преодоления этих недостатков было предложено использовать ОА эффект для создания источника шрокополосных акустических импульсов с известными спектральными характеристиками - лазерного источника ультразвука, Однако широкополосных акустических исследований структуры неоднородных сред с применением таких источников ультразвука до сих пор, по-видимому, проведено не было.

Таким образом, актуальна задача исследования свойств и структуры неоднородных конденсированных сред на основе широкополосной акустической спектроскопии с лазерным источником ультразвука.

Цели диссертационной работы

1. Экспериментальное исследование поглощения света в шкронеоднородных средах; диагностика поглощаювдх центров в прозрачных, однородно поглощающих и рассеивающих свет средах с

использованием ОА эффекта.

2. Оптико-акустическая диагностика динамики лазерного воздействия на металл при поверхностном поглощения и импедансной границе.

3. Исследование динамических свойств неоднородных жидкостей и структуры конструкционных материалов на основе широкополосной акустической спектроскопии продольных волн с лазерным источником ультразвука.

актуально в задачах исследования биологических объектов;

- в диагностике процесса лазерного воздействия на метают, необходимой в лазерных технологических процессах;

- в создании лазерных источников "стандартных" широкополосных импульсов продольных и сдвиговых акустических волн для систем ультразвуковой спектроскопии неоднородных конденсированных сред. Л. Разработанный метод широкополосной ультразвуковой спектроскопии с лазерным источником импульсов продольных акустических волн позволяет получать зависимости абсслдаиого значения затухания ультразвука в широкой чвстоткок дашазош, которые являются основой для анализа дтвшчестх свойств и неоднородностей структуры конденсированных сред, а также могут использоваться для анализа усталостных изиеиешй структуры в оценки остаточного ресурса конструкционных материалов.

3. Разработана методика широкополосной акустической спектроскопии сдвиговых волн, которая можвт дать дополнительную информацию о структуре неоднородных твердых тел.

Защищаемые положения 1. Светопоглощаювде неоднородности в ыгасронеодкородних, прозрачных, однородно поглощающих и рассеиватцвх свет средах оказывают влияние на временную форму фронта ОД сигнала, возбуждаемого в исследуемой среде.

г. Амплитуда ОА сигнала в ртути при ишедансной границе определяется в основном температурной зависимостью коэффициента отражения света в процессе лазерного воздействия.

3. Временная форма широкополосного импульса сдвиговых волн при преобразовании импульса продольных волн на границе раздела жидкость-твердое тело зависит от угла падения импульса продольных волн на границу раздела. Существует определенный угол падения, при котором форма импульса сдвиговых волн совпадает с формой падающего импульса продольных волн.

4. Результаты широкополосной акустической спектроскогшя с лазерным источником импульсов продольных ультра звуковых волн позволяют определить релаксационные параметры коллоидных растворов, а также характерные размеры неоднородностей структуры керамических материалов и поликристаллических металлов.

5. Частотные зависимости затухания продольных акустических волн

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

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

Глава I. В главе дан обзор литератур! по применению оптико-акустического эффекта а задачах диагностики оптических , теплофизических а акустических свойств сред.

Рассматриваются различные механизмы оптического возбуждения звука, среди которых в троком диапазоне значений поглощения света и частот модуляции интенсивности оптического излучения основным является тепловой («в» термооптическай) механизм.

Зависимость параметров териооптически возбуждаемого ОА сигнала от оптических, теплофизических и акустических параметров поглощающей среды обуславливает возможность применения ОА эффекта для диагностики указанных параметров.

В главе рассмотрены традиционные применения ОА эффекта: измерение спектральной зависимости поглощения света {фотоакустическая спектроскошя ) в измерение температуропроводности твердых тел и жидкостей. Указаны недостатки метода фотоакустической спектроскопии для решения задачи измерения пространственного распределения поглощения света в неоднородных средах.

Для преодоления этих недостатков возможно применение метода лазерной динамической оптико-акустической диагностики, основанной на анализе временной формы ОА сигнала. В главе рассмотрена суть этого метода, а также применение его дня анализа поглощения света в модельной неоднородно - поглощающей слоистой среде.

Возможность термооптического возбуждения коротких ультразвуковых импульсов нано- и субнаносекувдной длительности позволяет преодолеть трудности традиционных систем широкополосной ультразвуковой спектроскопии: обеспечение эффективности возбуждения и регистрации звуковых сигналов в широком спектральном диапазоне. Поэтому ОА аффект может применяться для исследования частотных зависимостей затухания и скорости ультразвука в диапазоне вплоть до нескольких октав.

Однако существующие методики исследования акустических

pftl .aHj) «p{-|at5)«l . «О (2)

0

Таким образок, возможно восстановление пространственного распределения поглощения света по временной форш фронта ОА импульса в поглощающей среде.

}2.2 посвящен анализу траисформацвд Форш QA сигнала ори распространении в среда. Рассмотрено влияние дассипавди, нелинейных искажений в дифракции звукового пучка в случае сшшго различающихся масштабов проявления указанных аффектов. Показано, что в случае короткого лазерного импульса я регистрации Q& сигнала в поглощащей среде дифракция не оказывает влияние на форму фронте этого сигнала.

В §2.3 теоретически рассмотрено преобразование широкополосных импульсов продольных акустических волн в импульсы сдвиговых волн на границе раздала жидкость-твердое тело. Коэффициент преобразования монохроматической продольной волны в сдвиговую оказывается комплексным, что приводит к искажению временного профиля широкополосного ишульса сдвиговых ваяй со сравнению с профилем падающего импульса продольных волн. Такое искажение в зависимости от угла падения импульса продольных волн на поверхность раздела жидкость-твердое тело рассмотрено на примере термооптически возбуждаемых импульсов в теплопроводной среде с закрепленной границей и в нетеплопроводящей среде со свободной границей. Показано, что при определенном угле падашя временная форма импульса сдвиговых волн совпадает с формой импульса продольных волн.

В §2.4 описан» лазерные термооптичестае источники "стандартных" широкополосных имцульсов продольных акустических волн в спектральном диапазоне 1+100 МГц. На основе изложенной в $2.3 теории преобразования продольных акустических волк з сдвиговые предложена конструкция источника широкополосных импульсов сдвиговых волн в спектральном диапазоне 1+40 МГц. Указана возможность применения лазерных источников звуковых импульсов с известными спектральными характеристикам в системах широкополосной ультразвуковой спектроскопии.

Глава III посвящена оптико-акустической диагностика поглощения света с лазерным возбуждением ультразвука в

a, cu 300

водные растворы CuCi2

100 во

40 20

ю

12.5%

1.7%

13 4 10 20 40 100 300 Z , шаг

а, см

, магнитные жидкости

300

100 во

40

10

,»1.0%

jJ>0.73%

0.16%.

0.08%

10 30 40 100 200 400 1000 г , юш

Рис.1. Пространственное распределение поглощения света в водных растворах СиС12 и в магнитных жидкостях.

г_

1

U.uB 460

"Ш.....«"%'al

z . шеи

400 360 300 350 200 160 100 60

960 800 640 480 320 160 0

водный раотвор ( о частицами oi

водный раствор CuClg

О 100 200 300 400 600 600 700 t , не

Рис.2. Формы фронта OA сигналов в водном растворе CuClg я при наличии в нем поглощающих центров-чаЬтиц сажи. Вверху условно показано распределение поглощающих центров в кювете 0А ячейки.

54.3 посвящен исследованию затухания широкополосных шшульсов продольных акустических волн в поликристаллических материалах - керамиках я металлах. Частотные зависимости коэффициента затухания ультразвука в исследованных образцах характеризуют рэлеевский и стохастический механизмы рассеяния продольных акустических волн, что соответствуют модели рассеяния звука в неоднородной (пористой или зернистой) среде. На оонованот этой модели в экспериментально полученных частотных зависимостей затухания ультразвука были определены характерные размеры неоднородностей в исследованных образцах. Исследовано также влияние шероховатости поверхности образцов на абсолютное значение а частотную зависимость затухания продольных акуетвчееш* вояк.

В §4.4 описаны эксперименты по измерению затухания широкополосных импульсов сдвиговых акустических волн )в металлических пластиках. Используется двойное преобразование: импульса продольных вода лазерного источника ультразвука в иинульс сдвиговых вода при наклонном радении на поверхность твердотельной плоскопараляельной пластины я обратное преобразование прошедшего пластину импульса сдвиговых волн в импульс продольных води на фугой ее поверхности. Угол падения выбирался тахим образом, что временная форма импульса сдвиговых волн, [фоходящего в пластину, повторяла форму падающего импульса продольных волн. В атом случае по отношению спектра импульса продольных волн за пластиной к спектру падающего импульса вычислялось затуханйе сдвиговых волн в пластине. Для исследованных пластиндюралюкшшя и латуни в одном в том хе диапазоне длин волн (в коротковолновой области к < 300 мкм) затухание сдвиговых волн выше, чем затухание продольных волн (рис.4). Это может объясняться различием механизмов взаимодействия продольных и сдвиговых волн со структурными неоднородкостями образцов, которое проявляется в более сильном затухании сдвиговых волн.

(4.5 посвящен широкополосной акустической диагностике структуры слоистых композиционных материалов (стеклопластиковых композитов). Резонансный характер частотных зависимостей затухания продольных акустических волн для свежеприготовленных образцов (рис.5) указывает на периодическую структуру композита.

Отсутствие резонансных пиков в частотных зависимостях затухания продольных воли для прошедших ресурсные испытания образцов характеризует появление усталостных микротрещин в структуре, аффективно рассеивающих ультразвук в широкой полосе частот. Наличие резонансного пика в "дифференциальном" затухании ультразвука (разности значений коэффициента затухания в ненагрукенном и дополнительно нагруженном статически участках прошедших ресурсные испытания образцов, рис.5) указывает на большую степень периодичности структуры нагруженного участка из-за концентрации микротрещин вблизи границ раздела стекловолокон и связующего под действием статической нагрузки. Таким образом, по частотным зависимостям затухания продольных акустических волн в широком спектральном диапазоне возможна диагностика усталостных изменений структуры композиционных материалов.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Разработана методика оптико-акустической диагностами поглощения света в однородно-, неоднородно поглощающих я рассеивающих свет средах, а также в средах, содержащих поглощающие центры. Созданная экспериментальная установка позволяет проводить измерения абсолютного значения поглощения света в указанных средах в диапазоне 10+300 см-1.

2. Исследовано пространственное распределение величины поглощения света в магнитных жидкостях в диапазоне объемных концентраций магнетита 0.08Ж+1Ж. Обнаружено, что абсолютное значение поглощения возрастает при удалении от поверхности в глубь среда. Относительная степень увеличения коэффициента поглощения при удалении от поверхности жидкости уменьшается с ростом концентрации магнетита. При значениях концентраций > IX поглощение света в магнитной жидкости практически постоянно.

3. Форма оптико-акустического сигнала при наличия поглощающих центров в однородно поглощающей, прозрачной я рассеивающей свет жидкостях существенно отличается от Форш оптико-акустического сигнала в однородно поглощающей свет жидкости. Это отличие связано с экстрапоглощением на центрах я перегревом приповерхностного слоя жидкости вокруг частяц, приводящим к возрастанию эффективности генерация звука за счет

трансформации этого пика.

8. Предложена и практически реализована схема широкополосного акустического спектрометра сдвиговых волн в диапазоне 1*40 МГц с лазерным источником широкополосных импульсов продольных волн, основанная на преобразовании импульсов продольных волн в сдвиговые и обратно на поверхностях плоскопараллельной пластины, помещенной в жидкость.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Карабутов A.A., Матросов М.П., Подымова Н.Б., Пыж В.А. Широкополосная ультразвуковая спектроскопия коллоидных сред на основе термооптического генератора звука.// Тез. докл. Всесоюз. школы-семинара "Фотоакустическая спектроскопия и микроскопия". Душанбе. 1989. с.4.

2. Карабутов A.A., Матросов М.П., Подымова Н.Б., Пыж В.А. Широкополосная ультразвуковая спектроскопия коллоидных сред на основе термооптического генератора звука.// Вестн. Моск. Ун-та. сер.З. 1990. т.'31. J84. с.60-65.

3. Карабутов. A.A., Матросов М.П., Подымова Н.Б. Широкополосный ультразвуковой контроль с лазерным источником звука.// Тез. докл. науч.-техн. семинара "Ультразвуковые и лазерные методы неразрушапцего контроля в науке и технике" Киев.

1991.

4. Карабутов A.A., Матросов М.П., Подымова Н.Б., Пыж В.А. Импульсная акустическая спектроскопия с лазерным источником звука.// Акуст. журн. 1991, Т.37. *2. с.311-323.

5. Карабутов A.A., Матросов М.П. f Подымова Н.Б. Широкополосная ультразвуковая спектроскопия керамических материалов на основе лазерного генератора звука.// Акуст. журн.

1992. т.38. *2. с.359-361.

6. Karabutov A.A., Matrosov М.Р., Podymova N.B. Pulsed ultrasonic spectroscopy based on laser thenoooptical generation.// Pbotoacoustic and photothermal phenomena III. Springer series in optical science. 1992. v.69. p.309-312.

7. Карабутов A.A., Матросов М.П., Подымова Н.Б. Термооптический генератор широкополосных импульсов сдвиговых волн.// Акуст. журн. 1993. т.39. *2. с.373-375.