Лазерная оптоакустическая диагностика поглощения света и звука тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИИ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

УДК 534.212+534.232

КАРАБУТОВ Александр Алексеевич

ЛАЗЕРНАЯ ОПТОАКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА И ЗВУКА

(Специальность 01.04.21 - лазерная физика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

МОСКВА - 1998

Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

доктор физико-математических наук

В.Г.Дмитриев

С.В.Егерев

доктор физико-математических наук, профессор

В.Г.Михалевич

Ведущая организация: Институт спектроскопии РАН Защита состоится : «-/¿Г «

г.

в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 053.05.82 в МГУ ил М.В.Ломоносова по адресу: 119899 Москва, Воробьевы горы, МГУ, у; Академика Хохлова, д.1, КНО.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке физическог факультета МГУ.

Автореферат разослан " /£ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент \\ .

¡1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящей диссертации приводятся результаты исследований гора, полученные в 1975-1996 г.г. на физическом факультете МГУ им. З.Ломоносова. Диссертация содержит решение комплекса фетических и экспериментальных проблем, связанных с юльзованием оптоакустического эффекта для исследования $ерхностного и объемного поглощения света, объемного и ¡ерхностного затухания ультразвука.

В работе обоснована применимость модели несвязанной задачи (моупругости для описания лазерного термооптического возбуждения этразвука, развита теория термооптического возбуждения зтразвука неподвижным и движущимся с трансзвуковой скоростью ¡ерным лучом, с учетом тепловой и акустической нелинейности, при гечных размерах луча, в идеальной и в диссипативной средах, звита теория термооптического возбуждения звука в -сронеоднородных средах и решается задача реконструкции :пределения интенсивности света в среде по временной форме ■оакустического сигнала. Развит оптоакустический метод ледования поглощения света реальными поверхностями и ледовано взаимодействие излучения среднего ИК диапазона с »иодическими металлическими поверхностями. Созданы лазерные очники "стандартных" ультразвуковых импульсов и с их помощью ледовано затухание продольных и поперечных волн в различных сронеоднородных материалах (металлах и сплавах, керамиках, [позитах и т.п.) в широкой полосе частот.

Актуальность исследований обусловлена принципиально новыми можностями, которые дает лазерная оптоакустика в исследованиях ущего состояния вещества. Начало работы совпало с бурным витием лазерной фото- и оптоакустики. Предложенная Розенцвайгом Гершо в 1973 г. модификация метода фотоакустической

спектроскопии, позволившая исследовать спектры поглощения свете конденсированных средах, дала основу широкому классу работ фотоакустической спектроскопии. Использование газомикрофош регистрации фотоакустического сигнала позволяет, однако, исследов; только приповерхностные слои вещества на глубинах порядка дли диффузии тепла. Для иследования более глубоких слоев необходи использовать прямую регистрацию оптоакустического сигнала.

Важное значение для развития работ по лазерной оптоакустик СССР имела публикация в 1973 г. обзора Ф.В.Бункина В.М.Комиссарова, содержащего анализ первых исследований в э: области. Усилиями ученых Акустического института, ФШ Московского государственного университета была создана тео{ оптоакустического эффекта в жидкостях и твердых телах, проведе экспериментальные исследования, подтверждающие правильно! теоретических моделей. Полученные результаты явились основой нов направления - лазерной оптоакустической диагностики.

В фотоакустической спектроскопии информацию о поглощег света средой получают из зависимости амплитуды и фазы осцилляг температуры при облучении ее периодически модулированн световым потоком. Поэтому для нахождения трехмерной карти распределения источников тепла в среде (связанных с поглощею света) необходима регистрация сигнала в широкой полосе час1 модуляции, что не позволяет производит измерения в реалы масштабе времени. В отличие от нее при импульсном лазер! облучении исследуемой среды и регистрации возбуждаемых при эг акустических сигналов с высоким временным разрешением возмол исследование распределения поглощения и неоднородностей сре буквально за один лазерный импульс.

Для реализации этой возможности необходимо найти св временной формы возбуждаемого акустического сигнала распределением поглощения света в среде и формой лазерк

пульса; необходимо решить обратную задачу восстановления :пределения поглощения света по форме оптоакустического сигнала; лить проблему адекватной регистрации широкополоных акустических -налов. Эти задачи и решаются в настоящей диссертации.

Оптоакустическое исследование неоднородных сред в последнее змя привлекает все большее внимание в связи с проблемами агностики биологических сред и тканей. Этот метод, наряду с годами, основанными на рассеянии света, представляется наиболее эспективным для диагностики оптических неоднородностей тканей гп ю- Более того, пропорциональность оптоакустического сигнала »ффициенту поглощения света делает этот метод уникальным для агностики этого параметра в сильно рассеивающих свет средах, коими аяются биологические ткани.

Оптоакустический сигнал появляется практически при любом 1им0действии импульсного лазерного излучения со средой. Поэтому вставляется вполне естественным использовать этот канал для 1учения информации о динамике взаимодействия лазерного гучения с поглощающей средой. При традиционных оптоакустических прениях регистрируется только амплитуда оптоакустического нала, что позволяет судить только об интегральной величине лощенной энергии. Преимуществом оптоакустического метода при м остается оперативность получения информации о поглощении [учения поверхностью, в том числе и рифленой, эффективность герений при относительно малом (по сравнению с коэффициентами шкения и рассеяния) коэффициенте поглощения света.

С другой стороны, регистрация оптоакустических импульсов с :оким временным разрешением позволяет исследовать процесс лощения лазерного импульса и изменения фазового состояния дества в его динамике. Это дает уникальную возможность ледовать фазовые состояния вещества при высоких давлениях и гпературах в лабораторных условиях, исследовать метастабильные

короткоживущие состояния вещества.

Термооптическое возбуждение ультразвука дает уникальн; возможность возбуждать короткие и мощные акустические импуль легко контролируемым образом. Они могут быть эффектш использованы для целей широкополосной акустической спектроскопш неразрушающего контроля. Обычно, однако, эффективно! возбуждения ультразвука лазерным излучением в конструкционн материалах невелика. Поэтому было необходимо разработь специальн термооптические источники "стандартных" акустических импульсов отладить методику регистрации широкополосных акустическ сигналов.

Целью работы являлась разработка методов лазер! оптоакуетической диагностики поглощения света и ультразвука неоднородных средах.

Задачи исследования:

• теоретически и экспериментально исследовать термооптичеа возбуждение ультразвука в неоднородных средах, исследовать св] распределения поглощения света и временной формы возбуждаем оптоакустического сигнала;

• исследовать взаимодействие излучения среднего ИК-диапазона металлическими рифлеными поверхностями;

• разработать метод и создать аппаратуру для широкополо« акустической спектроскопии с лазерными термооптически источниками ультразвука;

• исследовать затухание продольных и сдвиговых акустических вол: конструкционных материалах.

Научная новизна и практическая ценность работы. 1. Создан комплекс широкополосного оптоакустического спектрометр лазерными источниками ультразвука, предназначенный ; исследования затухания ультразвука в неоднородных материала: полосе частот 1-100 МГц при амплитудах импульсов давления о

кПа до 10 Мпа в реальном масштабе времени.

Впервые методом фазовой плоскости исследованы нестационарные трансзвуковые течения сжимаемого газа, решена аналитически задача об акустической проводимости критического сечения. Впервые оптоакустическим методом исследовано поглощение ИК излучения периодическими металлическими поверхностями и обнаружена макроскопическая трансформация распределения интенсивности в зеркально отраженном от металлической дифракционной решетки световом пучке в условиях проявления аномалий Вуда.

Впервые предсказана и экспериментально обнаружена анизотропия теплового излучения металлических дифракционных решеток, связанная с аномалиями Вуда.

Впервые разработана методика широкополосной акустической спектроскопии сдвиговых волн в диапазоне частот 1-40 МГц с использованием лазерных источников ультразвука. Развита лазерная оптоакустическая методика измерения распределения поглощения света в неоднородных средах. Предложен метод исследования динамики кипения металлов при импульсном лазерном нагреве их зажатой поверхности, позволяющий достичь температур и давлений, практически недоступных при квазистационарном нагреве, в том числе близких к критическим.

На защиту выносятся следующие результаты и положения: Метод передаточных функций для решения задачи термооптического возбуждения звука неподвижным лазерным лучом. Результаты теоретического анализа термооптического возбуждения звука движущимся с трансзвуковой скоростью лазерным лучом. Экспериментальная методика широкополосной оптоакустической спектроскопии продольных и сдвиговых волн с лазерными термооптическими источниками ультразвука.

Лазерная оптоакустическая методика исследования распределения

поглощения света в неоднородных средах.

5. В условиях проявления аномалий Вуда наблюдает! макроскопическая трансформация распределения интенсивное: света в зеркально отраженном пучке, угловой спектр которого ши] вудовского резонанса решетки; трансформация обусловле] интерференцией электромагнитных волн, отраженных как от плосю поверхности, с волнами, порожденными перерассеянием ПЭВ нулевой порядок дифракции.

6. Тепловое излучением металлических дифракционных решет( анизотропно; наблюдаются максимумы спектральной интенсивное' излучения, связанные с резонансным перессеянием волн i периодическом рельефе.

7. Результаты оптоакустической диагностики затухания ультразвука микронеоднородных средах - металлах, керамиках, композитах.

8. Результаты оптоакустического исследования поглощения света неоднородных средах - магнитных жидкостях, фотографичесга эмульсиях.

9. Методика и результаты оптоакустического исследования фазово состояния вещества при импульсном лазерном нагреве.

Апробация работы. Основные результаты исследовани представленные в диссертации, докладывались и обсуждались ] научных семинарах кафедры общей физики и волновых процессе кафедры акустики физического факультета МГУ им.М.В.Ломоносов семинарах Института спектроскопии РАН, НИЦТЛ РАН, Всесоюзнь конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Тбилиси, 1976 Ереван, 1982 г., Минск, 1988 г., Ленинград 1991 г.), Всесоюзнь акустических конференциях (Москва, 1977, Москва, 1983 г., Москва, 19! г.), Всесоюзных конференциях по нерезонансному взаимодейств* излучения с веществом (Ленинград, 1981 г., Вильнюс 1984 г., Ленингра 1990 г.), Международных симпозиумах по нелинейной акустике (Mocki 1975 г., Лидс, 1981 г., Новосибирск, 1987 г.), Международш

мпозиумах по инфракрасной физике (Цюрих, 1988 г., Аскона, 1994 г.), нференциях по биомедицинской оптике (Сан Хосе, 1995 г., 1996 г., фселона, 1996 г.), Международных конференциях по неразрушающему нтролю (Санкт-Петербург, 1993 г., Москва, 1995 г., 1996 г.) и других.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в научных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из едения, семи глав, заключения и списка цитированной литературы, гссертация содержит 363 страницы машинописного текста, включая 7 блиц, 94 рисунка и список цитируемой литературы из 205 именований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и выбор направления следования, формулируется цель и задачи диссертационной работы, есь лее приводятся основные положения диссертации, выносимые на щиту, и дается краткая аннотация результатов, изложенных в следующих главах.

В первой главе рассматривается связанная задача термоупругости я вязкой теплопроводящей среды. Она имеет в основном методический рактер; здесь обосновывается применимость используемой в льнейшем модели несвязанной задачи термоупругости для описания эмооптического возбуждения ультразвука. В линейном акустическом иближении получены дисперсионные соотношения для связанных ин потенциала колебательной скорости и энтропии. Показано, что эмоупругая связь акустических и энтропийных возмущений приводит перенормировке волнового вектора энтропийной волны и добавке к имой части волнового вектора акустической волны. С учетом этих менений возмущения энтропии и акустические возмущения могут ть разделены во всем диапазоне частот адиабатического

распространения ультразвука. Для конденсированных сред э соответствует всему диапазону ультразвуковых частот вплоть до един: гигагерц. Более того, в области более высоких частот (при переходе адиабатического к изотермическому распространению акустическ волны) модель диффузионного уравнения Фурье для поля темпера ту] уже выходит за рамки своей применимости.

В §1.2 рассмотрены три типа энтропийной волны, вызываем акустической волной. В идеальной среде возмущение энтропии кубич по числу Маха акустической волны и может давать заметный вклад возмущение энтропии только для очень мощных акустическ: возмущений (для чисел Маха более 0.01). Поэтому в подавляющ! большинстве задач импульсной оптоакустики этим нелинейным вклад можно пренебрегать.

Вязкостью среды обусловлена квадратичная по числу Маха вол] составляющая возмущения энтропии. Она не приводит распространяющемуся по среде возмущению энтропии, а имеет в постоянного (или медленно изменяющегося) распределения энтропии объеме, занятом волной. Однако для сильно вязких жидкостей (п больших значениях числа Прандтля) это изменение энтропии мож превышать амплитуду волны энтропии.

Волна энтропии, линейно связанная с акустической волне определяется термоупругой связью этих возмущений, относительн амплитуда которой зависит от теплофизических параметров сре; (таких как коэффициент теплового расширения, теплоемкость температуропроводность) и также является малой во всем диапазо ультразвуковых частот. Поэтому во всем ультразвуковом диапазс частот для анализа термооптического возбуждения ультразвука мо» быть использовано приближение несвязанной задачи термоупругос когда амплитуда энтропийной волны определяется независимо акустической (с учетом перенормировки волнового вектора). В св очередь задача сводится к анализу возбуждения ультра зв}

.гаужденной волной энтропии.

Влияние вязкости среды, а также термоупругой связи ;устической и энтропийной волн на прохождение возмущений через аницу раздела сред рассмотрено в §1.3. Показано, что поправками, [ределяемыми связью акустических и тепловых волн можно в лынинстве случаев пренебречь. Полученные уравнения и граничные :ловия легли в основу модели термооптического возбуждения [ьтразвука лазерным излучением.

Глава 2 посвящена развитию метода передаточных функций для дачи термооптического возбуждения ультразвука в жидкостях и ердых телах. Рассмотрен общий случай контакта теплопроводящих юзрачной и поглощающей сред при произвольном соотношении пловых активностей и акустических импедансов контактирующих ед. Показано, что спектр энтропии есть взвешенная сумма спектров 1И теплоизолированной и термофиксированной поверхности, где в честве веса выступает отношение тепловых активностей сред.

Для неподвижных (движущихся со скоростью, много меньшей оростей акустической и тепловой волн) источников тепла определении интенсивности света по объему поглощающей среды) ектр модуляции температуры всегда пропорционален временному ектру интенсивности греющего излучения. Коэффициент их опорциональности определяется пространственным спектром спределения источников тепла и характеристиками сред.

В §2.1 рассматривается термооптическое возбуждение плоских устических волн. Показано, что вне области действия тепловых гочников существуют только бегущие ультразвуковые волны, спектр горых пропорционален спектру модуляции интенсивности греющего лучения. Коэффициент пропорциональности, называемый редаточной функцией термооптического возбуждения ультразвука, ределяется пространственным распределением источников тепла и ношением акустических импедансов прозрачной и поглощающей сред.

Показано, что спектр возбуждаемой акустической волны щ импедансной границе есть взвешенная сумма спектров вол возбуждаемых при жесткой и свободной границах, причем в качеств веса выступает отношение акустических импедансов.

Рассчитаны передаточные функции термооптическо возбуждения ультразвука в поглощающей и прозрачной средах, щ объемном и поверхностном поглощении, света. Обсуждаются временнь формы акустических импульсов, возбуждаемых при различив условиях. Так, например, показано, что временная форма акустическо импульса, возбуждаемого при свободной границе, есть производная ( временной формы акустического сигнала, возбуждаемого при жесткс границе. Поэтому для нахождения формы волны в случае произвольно импеданса границы достаточно найти форму акустического сигнал возбуждаемого при жесткой границе.

В §2.2 рассмотрено возбуждение трехмерных акустических пол< в жидкости. Необычность термооптических источников ультразву] (бестелесных трехмерных широкополосных источников) делала эг проблему особенно актуальной в первый период (1973-1980 г.г.) создаю теории термооптического возбуждения ультразвука в жидкости, работе показано, что, как и в случае плоских волн, форма импульса п] импедансной границе есть взвешенная сумма их форм при жесткой импедансной границах, а также рассчитаны передаточные функщ термооптического возбуждения ультразвука лазерным пучком конечн< апертуры при произвольном распределении поглощения света ] глубине. Показано, что передаточная функция факторизуется ] продольную (определяемую глубиной проникновения света) поперечную (определяемую поперечным распределением света) част Первый из них совпадает с передаточной функцией в плоском случ (рассмотренной в §2.1), взятой от осевой части волнового векто: возбуждаемой волны. Второй есть пространственный спектр поперечно распределения интенсивности света, взятой при значении попереч»

1Мпоненты волнового вектора возбуждаемой волны.

Проанализированы формы волны при различных соотношениях стот, ограничивающих временной и пространственные спектры волны, жазано, что эффективно "озвучивается" только конус вблизи оси зерного пучка с углом раскрыва 00 = агс^(2/аа) . Рассмотрены эр мы акустических импульсов, возбуждаемые при различных отношениях параметров термооптического преобразования, эедставлены диаграммы эффективности возбуждения ультразвука в зличные углы излучения при различных соотношениях глубины юникновения света и ширины пучка.

Термооптическому возбуждению ультразвука в теплопроводящем ердом теле посвящен §2.3. Получена система уравнений и граничных ловий на границе раздела твердых прозрачной и поглощающей сред я компонент скалярного и векторного потенциалов колебательной орости ультразвуковых волн, возбуждаемых лазерным излучением в их средах. Рассчитаны передаточные функции термооптического збуждения ультразвука в этом случае. Введен единственный раметр, характеризующий возможность сильного проявления плопроводности в области частот эффективного термооптического збуждения ультразвука. Рассчитаны формы акустических импульсов, збуждаемых при жесткой и свободной границах теплопроводящей еды при поверхностном поглощении света. Показано, что повышение >фективности термооптического возбуждения ультразвука в этом учае связано с механической нагрузкой поглощающей поверхности озрачной средой. Это объясняет известный экспериментальный факт еличения амплитуды возбуждаемой лазером акустической волны при личиии слоя прозрачной жидкости на поглощающей металлической верхности.

Термооптическому возбуждению трехмерных акустических полей твердом теле посвящен §2.4. Основное внимание уделяется расчету ектральных передаточных функций термооптического возбуждения

поверхностных акустических волн (ПАВ). Показано, чч теплопроводность поглощающей среды не влияет на эффективной термооптического возбуждения ПАВ. В случае поверхностно] поглощения света и короткого лазерного импульса передаточкг функция термооптического возбуждения ПАВ определяете пространственным спектром распределения интенсивности света I пятну.

В главе 3 используется поэтапный анализ нелинейно: диссипативной и дифракционной трансформации акустически видеоимпульсов, возбуждаемых при поглощении лазерного излучени Тепловой нелинейностью называются процессы, связанные с изменение в процессе лазерного нагрева теплофизических параметров среды, ним относятся в первую очередь изменения коэффициента теплово: расширения среды, коэффициента поглощения света поверхностность! температуропроводности среды. В §3.1 описываются особенной термооптического возбуждения ультразвука при изменении температурой в процессе лазерного нагрева коэффициента теплово: расширения среды. Этот тип тепловой нелинейности особенно важен п{ термооптическом возбуждении ультразвука в воде (для которс коэффициент теплового расширения практически линейно изменяется температурой среды по Цельсию) и в органических жидкостях. Введ( безразмерный параметр, характеризующий степень проявлен! тепловой нелинейности, и рассчитаны временные форм оптоакустических сигналов, возбуждаемых при различнь интенсивностях накачки и начальных температурах среды. Показан что тепловая нелинейность как правило повышает эффективное возбуждения ультразвука и приводит к подчеркиванию хвостовой час сигнала.

В §3.2 численным экспериментом показано, что акустическ; нелинейность термооптически возбуждаемой волны может быть учтена рамках модельного неоднородного уравнения Бюргерса. В облае

ермооптического возбуждения ультразвука можно пренебречь стречным взаимодействием возбуждаемых волн и анализировать лишь олну, распространяющуюся в глубь поглощающей среды при озбуждении ее модифицированным с учетом акустического импеданса раницы распределением тепловых источников. Практически кустическая нелинейность сказывается только при свободном аспространении возбуждаемого акустического возмущения.

Нелинейная, диссипативная и дифракционная эволюция кустических видеоимпульсов рассматривается в §3.3. Показано, что для писания этих процессов применим поэтапный подход, когда сначала ешается линейная задача возбуждения термооптического сигнала гапример методом передаточных функций, описанным в гл.2). На гором этапе профиль возбуждаемой распространяющейся волны (вне эласти локализации источников тепла) задается в качестве граничного словия асимптотической задачи эволюции акустического возмущения од действием акустической нелинейности, диссипации и диффракции. роанализированы изменения временной формы оптоакустических •1гналов, возбуждаемых при жесткой и свободной границах, пределяемые этими процессами. Получены безразмерные параметры здобия, определяющие сравнительную эффективность каждого из азванных процессов.

В частности, показано, что в приосевом приближении форма ^устического импульса при переходе из ближней в дальнюю лффракционную зону изменяется на ее производную; что при больших делах Рейнольдса дисспация существенна только вблизи ормирующихся фронтов акустических видеоимпульсов; :имптотическая форма оптоакустического сигнала в нелинейной дссипативной среде при жесткой границе определяется автомодельным эшением уравнения Бюргерса.

В главе 4 анализируется синхронное возбуждение акустических ззмущений (в первую очередь в газах) лазерным лучом, движущимся с

трансзвуковой скоростью. Особенностью трансзвукового течени сжимаемого газа является наличие областей как локально дозвуковогс так и локально сверхзвукового потока. Теоретический анализ таки режимов встречает известные трудности, поскольку вблизи критически точек перехода через скорость звука уравнение стационарного течени меняет тип (от эллиптического к параболическому), а теори возмущения дает расходящиеся решения.

Нестационарная нелинейная задача о распространени акустических возмущений в трансзвуковой области течения свободна о этих недостатков. В §4.1 получено нелинейное асимптотическо уравнение типа уравнения Хохлова-Заболотской, позволяющее описат возбуждение возмущений движущимися с трансзвуковой скоросты источниками в вязком сжимаемом газе в приосевом (квазиоптическок приближении. В частности, оно применимо при описании возбуждени акустических возмущений лазерным лучом конечных размеро! движущимся с трансзвуковой скоростью.

Для решения этой задачи в §4.2 предлагается метод фазово плоскости, позволяющий проследить за трансформацией форм] акустической волны при ее распространении в критической области (н примере задачи возбуждения акустической волны плоским лазерны: лучом, движущимся с трансзвуковой скоростью). Показано, чт исходный профиль акустической волны можно рассматривать ка континуум точек, движущихся независимо (по крайней мере до момент образования разрыва) в поле внешних сил, причем в процессе е движения сохраняется "квазиэнергия" частицы (расход газа).

Рассмотрены различные (дозвуковой, сверхзвуковой и истинн трансзвуковой) режимы движения лазерного луча и описав формирование стационарного течения в этих случаях. Впервые получен зависимость амплитуды возбуждаемой волны от скорости движени луча с учетом ее акустической нелинейности, которая остаетс ограниченной при любых скоростях движения луча (см.рис.1).

•пределены временные масштабы установления стационарного течения, айдены трансзвуковые параметры подобия для течений с ассоподводом, энергоотбором и т.п. Показано, что масса газа, овлекаемая в движение, не зависит от скорости движения луча и . ,| определяется только поглощенной

[М-Цпш

энергией. Найдена эффективность преобразования энергии

излучения в кинетическую энергию возмущения и отмечается, что синхронное возбуждение акустической волны является наиболее эффективным режимом преобразования.

Метод фазовой плоскости был в дальнейшем использован для описания возбуждения

«с.1. Зависимость амплитуды волны от акустических возмущений

армированной скорости движения пучка ДВИЖУЩИМСЯ лазерным луЧОМ линейном (2) приближении и с учетом конечных размеров В

<устической нелинейности (1)

релаксирующим газе, при 1внопеременном движении луча и в других задачах. Одна из таких адач - классическая задача об акустической проводимости ритического сечения сопла Лаваля - рассмотрена в §4.3. ассматриваются две волны, - распространяющие навстречу потоку, зижущемуся с околозвуковой скоростью, и по нему. Волна, зижущаяся по потоку проходит через трансзвуковую область "быстро" ее изменение за время прохождения трансзвуковой области имеет горой порядок малости. Поэтому ее изменение можно рассчитывать в 1мках теории возмущений. Иначе обстоит дело с волной, гспространяющейся навстречу потоку. Скорость ее прохождения 5ласти неоднородности мала (по сравнению со скоростью звука) и

5

воздействие источников возмущения (например изменения сечени трубки тока) накапливается. Поэтому необходим учет акустическо: нелинейности при описании распространения этого типа возмущения.

В §4.3 рассматривается отражение возмущений от критическог сечения, движущихся как по потоку, так и навстречу ем^ Рассматривается два типа возмущений - переходный режи] ("ступенька") и гармоническое - при различных скоростях потока критическом сечении. Распространение волны навстречу потоку н вызывает заметных изменений попутных потоку возмущений; е трансформация может быть описана методом фазовой плоскост; Показано, в частности, что искажения встречной волны носят "диодный характер - верхний полупериод искажается много сильнее, чем нижних Рассмотрена генерация гармоник во встречной волне и зависимость и амплитуды от режима течения в критическом сечении.

Воздействие попутной волны на встречную является чист параметрическим - она изменяет (за счет акустической нелинейности местную скорость распространения встречной волны, что существенн ввиду относительной медленности ее движения относительн неоднородностей потока. Задача отражения попутной волны о критического сечения рассмотрена в низкочастотном приближени (длина волны много больше протяженности трансзвуковой области), чт вполне разумно с практической точки зрения. Показано, чт коэффициент отражения осциллирует с частотой и может превышат единицу (за счет отбора энергии от потока) (см.рис.2). С росто: амплитуды падающей волны форма отраженной волны все болын отличается от гармонической: верхний полупериод сужается, нижни расширяется, между ними появляется пологий участок. Расче показывает, что с ростом амплитуды коэффициент отражени увеличивается, эффективно возбуждаются высшие гармоники волш Форма волны качественно соответствует тем, которые наблюдаются камерах сгорания реактивных двигателей.

Развитие оптоакустики показало, что лазерное возбуждение льтразвука интересно не только само по себе, но и как средство

исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом. В первую очередь следует говорить об

исследовании поглощения света неоднородными средами с использованием

оптоакустического эффекта. Это связано с тем, что амплитуда возбуждаемого акустического сигнала пропорциональна

коэффициенту поглощения

света. Гораздо большую информацию об "истории" поглощения света, однако, несет эеменная форма возбуждаемого оптоакустического сигнала. Методы, шованные на анализе временной формы оптоакустического сигнала элучили назавание "динамической оптоакустической диагностики".

Один из методов динамической оптоакустической диагностики -ггоакустическая томография поглощения света рассмотрена в главе 5.

§5.1 дан обзор работ по лазерной оптоакустической томографии зглощения света и обсуждаются возможности метода. Теория ормирования оптоакустического сигнала в неоднородных средах осматривается в §5.2 и §5.3. Анализируется возможность «становления распределения коэффициента поглощения света по орме оптоакустического сигнала в микрооднородных средах и средах, »держащих поглощающие включения. Разделяется вклад "среднего" зглощения и поглощающих включений в форму оптоакустического ннала, возбуждаемого достаточно коротким лазерным импульсом.

Ю

ис.2. Коэффициент отражения К в гвисимости от частоты С1: -3 - Ь\ = —1.4; —1.7; — 2; К' = К/к.

Обсуждается возможность и дается алгоритм измерения "среднего поглощения и распределения сечения поглощения точечным включениями. В частности показано, что форма акустического сигнал; возбуждаемого точечным поглощающим включением, есть производна от формы лазерного импульса.

В §5.4 описана установка лазерного оптоакустического томограф и приведены результаты исследования неоднородностей поглощени

модельными неоднородным

\Ьа,стг

20С

100

6040-

20

10.

1.0% „Ий---------

^ 0.73%

10 20

средами, содержащим

поглощающие включения: воде водный раствор хлорной мед! молоко, содержащие частиц] графита и сажи, магнитны жидкости. Основу томограф составляет цифровая систем регистрации акустически

возмущений с временны разрешением не хуже 3.5 н (полоса частот - 1-100 МГц 1000 Регистрация сигнала производите как в прямой (в поглощающе

40 60 100 200 400

Рис.3. Распределение поглощения среде)1 так и в косвеНной ( магнитной жидкости контактирующей с ней Пр03рачно различной концентрации. среде) схеме в прямой схем

анализируется форма фронта, в косвенной - форма спад оптоакустического сигнала. Показана возможность детектирования ка отдельных поглощающих частиц, так и их скоплений, а такж возможность исследования "мгновенного" распределения частиц прозрачной, рассеивающей либо поглощающей среде.

Исследовано поглощение света в микрооднородной (но, ка оказалось, макронеоднородной) среде (магнитные жидкости на осное

агнетита в трансформаторном масле). Обнаружено, что вблизи эверхности магнитной жидкости имеется слой с обедненной энцентрацией магнитньгх частиц (см.рис.З). Толщина слоя, а также дефект" концентрации зависят от концентарции частиц магнетита, -злщина слоя убывает с концентрацией. Определено отношение сечения эглощения света и сечения частицы магнетита. Обсуждаются ззможности метода оптоакустической томографии поглощения света.

Исследовано поглощение света фотографическими эмульсиями на пине волны основного излучения и второй гармоники ^-УАО - лазера.

точки зрения оптоакустической томографии фотографические дульсии являются и микро- и макрооднородными средами. Поскольку ээффициент рассеяния света существенно превышает коэффициент эглощения, то глубина проникновения света зависит как от первого, 1к и от второго. Поэтому форма оптоакустического сигнала чределяется коэффициентом экстинкции и для измерения ээффициена поглощения света необходимы также абсолютные змерения амплитуды возбуждаемой акустической волны (ее величина рямо пропорциональна именно коэффициенту поглощения).

В §5.5 приведены результаты первых оптоакустических змерений коэффициентов поглощения и экстинкции света отографическими эмульсиями в видимом и ближнем ИК-диапазоне. казалось, что сигнал имеет термооптический характер и влияние пектрон-дырочных пар (рождение которых возможно в кристаллитах 1Логенидов серебра, входящих в фотоэмульсию) не существенно. Это шорит либо о малой концентрации, либо о малом (по сравнению с лительностью импульса) времени жизни последних. Установлено, что ээффициент поглощения света фотоэмульсий много меньше ээффициента рассеяния света. Более того, оказалось, что их величины в зависят от фоточувствительности эмульсии (при одинаковом составе), коэффициент поглощения света в ближнем ИК-диапазоне много меньше го значения для видимого диапазона длин волн и центры скрытого

изображения слабо сказываются на его величине. Их влияние мож( быть заметным только для неспецифичного для фотоэмульс* излучения. Проведенные измерения показали эффективное: предложенной оптоакустической методики независимого измерен* поглощения и экстинкции света.

Оптоакустический метод может быть использован не только д.х исследования объемного, но и поверхностного поглощения света. С может быть особенно эффективен для негладких поверхностей силы рассеивающих свет. Применение оптоакустического метода дх исследования поверхностного поглощения света рассмотрено в главе 6. §6.1 исследуется поглощение лазерных импульсов гладким металлическими поверхностями и отрабатывается методик оптоакустического измерения коэффициента поглощения свет поверхностью. Для металлических поверхностей, как и предполагалос: амплитуда возбуждаемых импульсов как в мишени, так и окружающем воздухе прямо пропорциональна величине поглощенно энергии. На основе этого предложен "невозмущающий" метод измерени энергии лазерных импульсов и контроля поглощения металлически зеркал.

Акустический сигнал рождается практически всегда пр воздействии импульсного лазерного излучения на поглощающу: поверхность. Поэтому представляется естественным использовать е1 для контроля состояния поверхности в процессе лазерного воздействи. Фазовое состояние нагреваемой лазером поверхности существенны образом зависит от условий ее механического нагружения - пр импульсном нагреве акустически нагруженной поверхности происходи динамический сдвиг точки фазового перехода за счет счет термоупруги напряжений. Этот эффект исследуется в §6.2 на примере ртути.

Анализ временной формы возбуждаемого импульса давлени позволяет достаточно четко выявить в процессе действия лазернм импульса момент начала кипения ртути под стеклянной поверхность»

:оторый хорошо совпадает с расчетным значением. После окончания [азерного импульса давление на поверхности определяется давлением сасьпценных паров при температуре поверхности и позволяет найти ¡ависимость температуры от времени (см.рис.4).

Показано, что температура поверхности после окончания [азерного импульса спадает по экспоненциальному закону и для ртути

Г(кК)

3исА. Зависимости температуры юверхности ртути от времени при

время релаксации составляет х к =77 + 7 т- . При достаточно умеренной плотности падающей энергии 0.4 Дж/см2 удалось нагреть ртуть практически до критической точки и проследить за релаксацией фазового состояния практически до точки кипения при нормальном давлении. Предлагаемый метод исследования может служить основой для изучения фазовых

состоянии

материалов

ыотностях энергии лазерного импульса Е о = 0.4 (1), 0.2 (2), и 0.86 Дж/см2 (3), критическх значений. :овмещенные на одной кривой наложены на экспоненциальную •ависимость с X ге] = Пне), а также |ременной профиль лазерного импульса жирная линия).

тугоплавких вплоть до их

Существенное влияние на взаимодействие лазерного

излучения с поверхностью может оказывать ее рельеф, причем уже при глубинах »ельефа И« к (X - длина волны излучения). Один из наиболее ффективных процессов на рифленой поверхности - резонансная герекачка энергии в поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ), что гриводит к резонансному росту поглощения света. Для исследования

этого эффекта целесообразно использовать оптоакустический метод.

В §6.3 описано исследование взаимодействия излучения С02-лазерг с металлическими дифракционными решетками. Были получены угловьи зависимости коэффициента поглощения решеток при Б и Р поляризацш излучения. На фоне слабого поглощения излучения плоско! металлической поверхностью (для меди - 1.06+0.05 %) обнаружены узкие (ширина - 20±Г) и резкие (коэффициент поглощения - 93%) пию поглощения, положение которых соответствует резонансному возбуждению ПЭВ. В общем случае пик поглощения определяется сверткой углового спектра падающего излучения и резонансного факторг возбуждения ПЭВ.

р,/=-40 ст. 1= I

Рис.5. Трансформация пятна зеркальной компоненты вблизи основногс резонанса ПЭВ при Р-поляризации. Углы падения приведены у фотографий.

Если уголовой спектр падающего излучения шире, чек резонансный фактор возбуждения ПЭВ, то поверхность поглощает

элько малую часть угловых гармоник излучения, что приводит к акроскопической трансформации распределения интенсивности по ятну в отраженном пучке (см.рис.5). При этом поглощается малая доля X % энерии лазерного импульса.

Показано, что распределение

интенсивности

света

отраженном пучке

определяется интерференцией пучка, отраженного как от плоской повехности, и волны, переизлучаемой разонансно возбуждаемой ПЭВ.

Резонансное взаимодействие объемных и поверхностных дд элекгромагаитых волн на 6, град. периодических поверхностях может проявляться не только в

'ис.6. Угловая зависимость

, , „ резонансном поглощении, но и в

пектралъного коэффициента излучения ^ ^

глубокой" медной дифракционной резонансном излучении

'ешетки с периодом ¿/= 12.1 .мкж и электромагнитных волн. В §6.4 лубиной Н = 0.42 мкм на длине волны исследуется влияние аномалий К = 5 мкм: 1 - при резонансной Вуда на тепловое излучение - поляризации излучения ( Р - металлических диффракционых оляризация нерезонансная); 2,3 - при решеток Впервые обнаружено, что в резонансной Р — поляризации излучения угловой зависимости спектральной Б — поляризация нерезонансная.) и плотности теплового излучения различной ширине входной щели периодических металлических

юнохроматора ( Ъ- 1.5 (2) и 1 мм (3)). поверхностей присутствуют

езонансные пики, положение которых соответствует резонансному заимодействию объемных поверхностных волн. Наблюдаемый пик [злучения определяется сверткой вудовского резонанса решетки,

в

углового и частотного спектров регистрируемого излучения. Аналогичны резонансный пик налюдался и в частотном спектре, излучаемом некотором заданном направлении.

Лазерное возбуждение ультразвука может быть использовано дл исследования поглощения не только света, но и ультразвука. В это случае термооптический механизм дает возможность получать коротки мощные акустические импульсы контролируемой формы. Пр использовании лазеров с модуляцией добротности полоса часто': занимаемая такими акустическими сигналами, может простираться д 100 МГц. Использованию термооптических источников "стандартных акустических импульсов в целях широкополосной акустическо спектроскопии неоднородных материалов посвящена глава 7.

В §7.1 описывается широкополосный акустический спектрометр лазерным источником ультразвука, предназначенный для исследовани. затухания и дисперсии скорости ультразвука в полосе частот 1-100 МГг Система включает М-УАС-лазер с модуляцией добротности специальный широкополосный пьезоприемник на основе ниобата лития ] цифровую систему регистрации и обработки сигнала. Измерении спектров затухания ультразвука в глицерине (квадратичная зависимост] коэффициента затухания от частоты) и в оргстекле (линейна) зависимость коэффициента затухания от частоты) показал! работоспобность установки и метода.

Исследование поглощения ультразвука в коллоидных раствора: бентонитовых глин описано в §7.2. Обнаружено, что в диапазоне частот 2 14 МГц затухание носит релаксационный характер с единственные временем релаксации. Время релаксации зависит от концентраци! раствора и типа суспензии и изменяется в пределах 10-75 не. Сил; релаксационного процесса оказалась одинаковой для суспензш различных концентраций и типов.

Исследование затухания продольных ультразвуковых волн ] поликристаллических материалах (металлах, сплавах, керамиках

шсано в §7.3. Вид спектра затухания ультразвука позволил определить :новной механизм затухания ультразвука - рассеяние его на годнородностях структуры материала. По характерным частотам ерехода от рэлеевского к стохастическому, а затем к диффузному ассеянию может быть определено распределение рассеивателей по азмерам. Измеренные размеры рассеивателей в различных материалах эжали в пределах от 20 до 130 мкм и соответствовали еталлографическим данным.

В §7.4 впервые предложен и реализован лазерный источник ¡тандартных" импульсов сдвиговых волн. Используется преобразование

продольной акустической волны в сдвиговую при ее наклонном падении на границу жидкость-твердое тело; угол падения превышает первый критический. Исследованы форма и спектр импульса сдвиговых волн, которые сравнивается с их видом в исходной продольной волне (см.рис.7). Показано, что созданный излучатель позволяет получать сдвиговые импульсы с ис.7. Временная форма акустических плоским фазовым фронтом и мпулъсов сдвиговых волн для линейной поляризацией в полосе юралевой призмы при салоловой (1) и частот до 15 МГц.

поксидной (2) склейках. Кривая (3) - Использование этого

го же для импульса продольной волны

излучателя для спектроскопии

гермооптического генератора.

сдвиговых волн, однако, атруднено неизбежными неконтролируемыми потерями в склейках [оэтому в §7.5 описан метод спектроскопии сдвиговых волн с двойным реобразованием продольной волны в сдвиговую и обратно на границах

иммерсионной среды и исследуемого твердого образца. В этой схезу

удалось измерить затухаю ультразвуковых волн в образца дюралюминия и латуни в полос частот вплоть до 40 МГц (дл дюралюминия). Сравнена

спектров затухания продольных сдвиговых волн в этих материала показало, что при одинаково длине волны затухание сдвиговы волн может существен^ превышать затухание продольно волны (в области стохастическог рассеяния); для длинны продольных и сдвиговых вол затухание близко.

Исследование спектров затухани ультразвука в композиционны материалах при проявлении эффекте микропластичносга методом широкополосной акустической спектроскопии лазерным источником ультразвука описано в §7.6. Исследовалис образцы стеклопластиковых композитов как свежих, так и прошедши ресурсные испытания. Микропластические изменения вызывалис; также статическим механическим нагружением образца. Измерялис: спектры затухания ультразвука в ненагруженном и нагруженшп механически участках образцов. Обнаружены резкие пики затухания связанные с резонансным рассеянием ультразвука на периодически структуре внутренних неоднородностей (см.рис.8). Показано, что п частоте и ширине резонансного пика можно судить об остаточног ресурсе композита. Полученные результаты могут служить осново] метода неразрушающего контроля композитных материалов п

а¿, см1

Рис.8. Спектры затухания

продольных акустических волн в образце стеклопластикого

композита, не прошедшего ресурсные испытания: (1) - спектр затухания в ненагруженном участке, (2) - в нагруженном статически участке образца.

актическому состоянию.

Термооптические источники ультразвука позволяют получать )роткие и мощные акустические импульсы. Это позволяет эффективно ¡следовать акустические нелинейные эффекты в конденсированных >едах. В §7.7 описано первое наблюдение формирования ударной :устической волны в твердом теле (см.рис.9). Показано, что эансформация формы акустического сигнала в полиметилметакрилате )-видимому не может быть описана в рамках модели единственного сустического нелинейного параметра. Предложен оптоакустический этод измерения акустического нелинейного параметра по изменению шлона в близком к прямолинейному переходному участку профиля гтоакустического сигнала.

В Заключении кратко сформулированы основные результаты, мученные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Развит метод передаточных функций для задачи термооптического возбуждения звука.

1.1. Проанализировано взаимодействие тепловых и акустических волн в вязкой теплопроводящей среде. Показано, что во всем диапазоне частот адиабатического распространения ультразвука (ш«со/х, с0 - скорость звука, X - температуропроводность) можно ограничиться несвязанной задачей термоупругости.

1.2. Теоретически рассчитаны передаточные функции термооптического возбуждения звука на границе двух теплопроводящих сред. Показано, что передаточная функция термооптического возбуждения звука при импедансной границе есть взвешенная сумма передаточных функций при жесткой и свободной границах с весовым коэффициентом равным

(а)

Рис.9. Характерные профили ультразвуковых сигналов при малой (а) большой (б) энергии светового импульса. Масштаб для кривой (а) 47атм/дел., для кривой (б) - 1.2атм/дел.; скорость развертк 0.2мкс/дел.

отношению акустических импедансов среды.

1.3. Показано, что спектральная передаточная функци термооптического возбуждения звука при импедансно границе есть взвешенная сумма передаточных функций пр жесткой и свободной границах с весовым коэффициенте] равным отношению акустических импедансов сред.

1.4. Показано, что нелинейные акустические и диссипативны процессы при термооптическом возбуждении звука могу]

быть учтены в рамках поэтапного подхода, в котором на первом этапе в области локализации источников решается линейная задача возбуждения звука в идеальной среде (см. п.1.2), найденный сигнал задается в качестве граничного условия для асимптотического уравнения эволюции акустической волны в нелинейной диссипативной среде. Численным моделированием показано, что встречным взаимодействием волн в области локализации источников можно пренебречь. Проанализирована дифракционная трансформация термооптического сигнала в приосевом приближении.

1.5.Проанализировано влияние тепловой нелинейности (зависимости коэффициента теплового расширения от температуры) на форму возбуждаемых термооптических сигналов. Введен безразмерный параметр, характеризующий степень проявления тепловой нелинейности при термооптическом возбуждении звука. Предложен и экспериментально апробирован термооптический метод оперативного измерения поля температуры в среде на базе эффекта тепловой нелинейности.

. Разработан метод фазовой плоскости для анализа возбуждения акустических волн конечной амплитуды движущимися источниками.

2.1. Исследовано термооптическое возбуждение звука движущимся с околозвуковой скоростью лазерным лучом. Найден безразмерный параметр подобия, характеризующий этот процесс. Исследована зависимость максимальной амплитуды возбуждаемой волны от скорости движения луча. Описан процесс установления стационарного течения при различных режимах движения луча - дозвуковом, сверхзвуковом и трансзвуковом.

2.2. Решена задача об акустической проводимости сопла Лавалз Исследована зависимость коэффициента отражения волны о критического сечения для волн, распространяющихся п потоку и навстречу ему. Показано, что акустическа проводимость имеет нелинейный характер, а коэффициен отражения от критического сечения малых возмущени: осциллирует с частотой.

3. Предложен метод оптоакустической томографии поглощени. света в рассеивающих средах.

3.1. Развита теория оптоакустического эффекта в рассеивающи: средах. Предложен метод независимого измерени; коэффициента поглощения и экстинкции света макрооднородных средах. Предложен и экспериментальн< обоснован оптоакустический метод измерения распределена поглощения света в макронеоднородных средах, основанньп на термооптическом возбуждении звука коротким лазерньи импульсом и регистрации возбуждаемого акустическоп сигнала с высоким временным разрешением.

3.2. Экспериментально исследовано поглощение света ] магнитных жидкостях. Обнаружено уменьшение концентрацш частиц магнетита у поверхности. Толщина обедненного ело) уменьшается пропорционально квадратному корнк концентрации, а поглощение света растет пропорциональнс концентрации частиц магнетита. Определено альбедо частиц I магнитной жидкости.

3.3. Методом импульсной оптоакустической томографш исследовано поглощение света в фотографических эмульсияз на длинах волн 0.53мкм и 1.06мкм. Обнаружено, чтс коэффициент поглощения и экстинции света не зависит о1: чувствительности фотоэмульсии. Показано, что влияние центров скрытого изображения на оптические характеристик!

фотоэмульсий незначительно.

Предложен импульсный оптоакустический метод исследования поверхностного поглощения света.

4.1. Исследовано поглощение света гладкими металлическими поверхностями с помощью импульсного оптоакустического эффекта. Предложен импульсный оптоакустический метод измерения коэффициента поглощения металлических зеркал особенно эффективный при близких к единице коэффициентах отражения света.

4.2. Исследовано поглощение света металлическими поверхностями с периодическим рельефом. Обнаружены резкие (с коэффициетном полощения близким к единице) и узкие (с угловой шириной ~ 20') пики поглощения ИК излучения связаные с резонансами Вуда как при Р - поляризации, так и при 5-поляризации излучения. Обнаружено разделение этих пиков при повороте штрихов рифления поверхности относительно плоскости падения. Предложен метод исследования углового и пространственного спектров ИК-излучения по поглощению света оптимизированными металлическими решетками.

4.3. Исследована трансформация пятна отраженного от металлической дифракционной решетки ИК-излучения в условиях проявления резонансов Вуда. Обнаружены светлые и темные полосы, расположенные перпендикулярно направлениям резонансно возбуждаемых поверхностных электромагнитных волн, что связано с интерференцией зеркально отраженной и переизлучаемой ПЭВ волнами.

4.4. Впервые обнаружена анизотропия теплового излучения металлических дифракционных решеток, связанная с резонансами Вуда. Показано, что тепловое излучение металлических дифракционных решеток в заданном

направлении носит резонансный по частоте волны характер.

4.5. Исследовано динамическое смещение точки кипеня металлов при импульсном лазерном облучении зажатс поверхности. Обнаружено, что релаксация температур перегретого состояния происходит по экспоненциальном закону и измерено время релаксации для ртути. Предложе импульсный оптоакустический метод исследования кривы фазового равновесия.

5. Разработан метод широкополосной акустической спектроскопи продольных звуковых волн с лазерным источником ультразвука.

5.1. Исследовано затухание ультразвука в коллоидных раствора бентонитовых глин. Обнаружено, что затухание носи релаксационный характер. Измерены время релаксации "сила" релаксационного процесса. Обнаружено, что врем релаксации убывает с кбнцентрацией раствора по степенном закону, а "сила" релаксационного процесса не зависит о концентрации.

5.2. Исследовано распространение широкополосных акустически импульсов в поликристаллических материалах - керамиках металлах. Установлено, что основной механизм затухани ультразвуковой волны связан с ее рассеянием н неоднородностях структуры материала. Обсуждаетс возможность определения распределения зерен по размерам реальном масштабе времени по спектрам затухания в ни. ультразвука.

5.3. Исследовано затухание ультразвуковых волн в слоисты: композитах. Обнаружены резкие и узкие пики затухания связанные с рассеянием волн на периодически: неоднородностях структуры среды. Обнаружено смещени частоты резонанса при механической нагрузке материала : при появлении микроразрушений. Обсуждается возможност:

контроля микроповрежденности слоистых композитов по спектрам затухания в них ультразвука.

5.4. Впервые предложен и экспериментально исследован лазерный источник широкополосных сдвиговых волн. Исследованы спектры затухания сдвиговых волн в поликристаллических материалах.

5.5. Впервые наблюдалось формирование ударной волны в твердом теле. Показано, что нелинейные акустические свойства полимеров не могут быть описаны в рамках модели уравнения Бюргерса.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

Карабутов A.A., Руденко О.В. Возбуждение нелинейного звука поверхностным поглощением лазерного излучения.//ЖТФ, 1975, т.45, вып.7, с.1457-1461. Карабутов A.A., Лапшин Е.А., Руденко О.В. О взаимодействии светового излучения со звуком в условиях проявления акустической нелинейности.//ЖЭТФ, 1976, т.71, вып.1(7), с.111-121 Карабутов A.A., Бурмистрова Л.В., Портнягин А.И., Руденко О.В., Черепцкая Е.Б. Метод передаточных функций в задачах термооптического возбуждения звука.//Акуст.ж., 1978, т.24, вып.5, с.655-663

Карабутов A.A., Портнягин А.И., Руденко О.В., Черепецкая Е.Б. Нелинейная трансформация акустических импульсов при термооптическом возбуждении//Письма в ЖТФ, 1979, т.5, вып.6, с.328-331.

Карабутов A.A. О нелинейном ограничении эффективности движущейся оптико-акустической антенны.//Письма в ЖТФ, 1979, т.5, вып.7, с.429-432 Карабутов A.A., Руденко О.В., Черепецкая Е.Б. К теории

термооптической генерации нестационарных акустически полей.//Акуст.ж., 1979, т.25, вып.З, с.383-394.

8 Васильева O.A., Карабутов A.A., Лапшин Е.А., Панасенко Г.П., Руденв О.В. Об эволюции интенсивных акустических импульсов при конечны числах Рейнольдса.//Вестник Моск.Унив., сер.З, физ.-астрон., 197! т.20, вып.З, с.85-89.

9 Карабутов A.A., Бурмистрова Л.В., Руденко О.В., Черепецкая Е.Б. i влиянии тепловой нелинейности на термооптическую генераци) звука.//Акуст.ж., 1979, т.25, вып.4, с.616-619.

10. Карабутов A.A., Руденко О.В. Нелинейные плоские волнь возбуждаемые объемными источниками в движущейся трансзвуковой скоростью среде.//Акуст.ж., 1979, т.25, вып.4, с.536-542

11 Карабутов A.A., Лапшин Е.А., Панасенко Г.П., Руденко О.В. Генераци мощных акустических импульсов при лазерном нагрев поверхности.//Вычислительная математика и программирование 1979, вып.31, с.174-181, МГУ.

12 Карабутов A.A., Портнягин А.И., Руденко О.В., Черепецкая El Экспериментальные исследования распространения коротки: акустических импульсов при термооптическо1 возбуждении.//Акуст.ж., 1980, т.26, вып.2, с.296-299.

13 Гусев В.Э., Карабутов A.A. К вопросу о возбуждении акустически: импульсов распределенными источниками, движущимися трансзвуковой скоростью.//Акует.ж., 1981, т.27, вып.2, с.213-219.

14 Карабутов A.A. Исследование нестационарных трансзвуковы: течений методом фазовой плоскости//Вестник Моск.Унив., сер.З, физ. астрон., 1982, т.23, вып.1, с.26-30.

15 Гусев В.Э., Карабутов A.A. Возбуждение нелинейных плоских вол] неравномерно движущеся с трансзвуковой скоростью термооптическо: антенной.//Акуст.ж., 1982, т.28, вып.1, с.38-41.

16 Гусев В.Э. , Карабутов A.A. Обтекание слоя тепловыделен^ трансзвуковым потоком релаксирующего газа.//Акуст.ж., 1982, т.28

вып.2, с.177-183.

1 Васильева O.A., Карабутов A.A., Лапшин Е.А., Руденко О.В. Взаимодействие одномерных волн в средах без дисперсии. М., МГУ, 1983, 152 с.

I Карабутов A.A. О нестационарных квазиодномерных трансзвуковых течениях газа.//Изв.АН СССР. Мех.жидкости и газа, 1984, вып.1, с.188-190.

I Карабутов A.A., Платоненко В.Т., Руденко О.В., Чупрына В.А. Прямое наблюдение формирования ударного фронта акустической волны в твердом теле.//Вестник Моск.Унив., сер.З, физ.-астрон., 1984, т.25, вып.З, с.89-91.

I Карабутов A.A., Андреев В.Г., Руденко О.В. Метод калибровки широкополосных акустических гидрофонов в ультразвуковых пучках конечной амплитуды.//Вестник Моск.Унив., сер.З, физ.-астрон., 1984, т.25, вып.4, с.74-77.

. Карабутов A.A., Омельчук H.H., Руденко О.В., Чупрына В.А. Количественное исследование нелинейной трансформации звуковых импульсов в жидкости при термооптическом возбуждении.//Вестник Моск.Унив., сер.З, физ.-астрон., 1985, т.26, вып.З, с.62-66. I Карабутов A.A. Лазерное возбуждение поверхностных акустических волн: новое направление в оптико-акустической спектроскопии твердого тела.//УФН, 1985, т.147, вып.З, с.605-620.

5 Карабутов A.A., Платоненко В.Т., Чупрына В.А. Невозмущающий оптико-акустический метод измерения энергии световых импульсов.//ЖТФ, 1985, т.55, вып.8, с.1627-1629.

1 Карабутов A.A., Платоненко В.Т., Чупрына В.А. Оптико-акустический метод невозмущающего измерения энергии лазерных импульсов и контроля параметров зеркал.//Кв.электрон., 1985, т.1-2, вып.10, с.2126-2129.

5 Гусев В.Э., Карабутов A.A. Теория возбуждения рэлеевских волн при поглощении оптических импульсов в полупроводниках.//Физ. техн.

полупроводников, 1986, т.20, вып.6, с.1070-1075

26 Карабутов A.A., Сапожников O.A. Об отражении акустически возмущений от околозвуковой области сопла Лаваля.//Акуст.ж., 198 т.32, вып.4, с.538-542.

27 Бендицкий A.A., Карабутов A.A., Кондратенко П.С., Шкардун B.J. Яковлев В.А. Экспериментальное исследование термооптическо! возбуждения звука в воздухе.//Акуст.ж., 1988, т.34, вып.З, с.414-416.

28 Карабутов A.A., Уваров A.B. О термооптическом возбуждении звук на границе теплопроводящих сред.//Вестник Моск.Унив., сер.З, физ астрон., 1988, т.29, вып.5, с.64-70.

29 Карабутов A.A., Сапожников O.A. Акустические волны конечно амплитуды в околозвуковой области течения сжимаемо1 газа.//Акуст.ж., 1988, т.34, вьш.5, с.865-870.

30 Akhmanov S.A., Gusev V.E., Karabutov A.A. Pulsed Laser optoacoustici achievments and perspective.//Infrared Phys., 1989, v.26, 2-4, p.815-838

31 Карабутов A.A., Матросов М.П., Подымова Н.Б., Пыж В J Широкополосная ультразвуковая спектроскопия коллоидных сред н основе термооптического генератора звука.//Вестник Моск.Унив сер.З, физ.-астрон., 1990, т.31, вып.4, с.60-65.

32 Бендицкий A.A., Карабутов A.A., Кудинов И.А., Платоненко В.Т Согоян М.А., Чугунов A.B. Оптико-акустические исследовани поглощения излучения негладкими поверхностями.//Вестни Моск.Унив., сер.З, физ. -астрон., 1990, т.31, вып.З, с.43-49.

33 Гусев В.Э., Карабутов A.A. Лазерная оптоакустика. М., Наука, 199j 304 с.

34 Карабутов A.A., Матросов М.П., Подымова Н.Б., Пыж В J Импульсная акустическая спектроскопия с лазерным источнико! звука.//Акуст.ж., 1991, т.37, вып.2, с.311-323.

35 Карабутов A.A., Зеленый В.П., Мусаев М.А., Османов С.З Формирование фотоакустического сигнала в поглощающей среде пр: наличии на поверхности прозрачной пленки.//Акуст.ж., 1992, т.3£

вып.1, с.53-58.

6 Дорожкин Л.М., Дорошенко B.C., Карабутов A.A., Лазарев В.В., Матросов М.П., Польских Э.Д., Чаянов Б.А. Пьезоэлектрический приемник акстических импульсов на основе нового пленочного текстуированного материала.//Акуст.ж., 1992, т.38, вып.З, с.463-469.

7 Карабутов A.A., Кудинов И.А., Платоненко В.Т., Согоян М.А. Резонансное возбуждение поверхностных электромагнитных волн на дифракционных решетках в ИК-диапазоне: аномалии поглощения и отражения.//Вестник Моск.Унив., сер.З, физ.-астрон., 1992, т.ЗЗ, вып.З, с.45-52.

8 Бендицкий A.A., Карабутов A.A., Согоян М.А., Шелемин Е.Б. Приемник лазерного излучения, а/с #1618102 от 01.09.1990 г.

8 Бендицкий A.A., Карабутов A.A., Ковалев A.A., Кондратенко П.С., Кудинов И.А., Кузнецова Л.К., Панченко В.Я., Платоненко В.Т., Семиногов В.Н., Согоян М.А., Соколов В.И., Шелемин Е.Б., Емельянов В.И. Способ измерения угловой расходимости лазерного излучения, а/с #1628666 от 15.10.1990 г.

9 Карабутов A.A., Кудинов И.А., Манаков В.М., Панченко В.Я., Платоненко В.Т., Семиногов В.Н., Согоян М.А., Соколов В.И., Якунин В.П. Аномалии в поглощении и отражении ИК-излучения металлическими дифракционными решетками.//Мзв.РАН, сер.физич.,

1992, т.56, вып.4, с.29-34.

0 Карабутов A.A., Матросов М.П., Подымова Н.Б. Широкополосная ультразвуковая спектроскопия керамических материалов на основе лазерного генератора звука.//Акуст.ж., 1992, т.38, вып.2, с.359-361. : 1 Карабутов A.A., Матросов М.П., Подымова Н.Б. Термооптический генератор широкополосных импульсов сдвиговых волн.//Акуст.ж.,

1993, т.39, вып.2, с.373-375.

í2 Karabutov A.A., Seminogov V.N., Sogoyan М.А., Sokolov V.l. Interaction of IR-radiation with periodic metal surfaces: anomalous absorption and reflection.//Laser Physics, 1993, v.3, 6, p.1168-1197.

43 Esenaliev R.O., Karabutov A.A., Oraevsky A.A., Letokhov V.S., Malinsk T.V. Studies of acoustical and shock waves in the pulsed laser ablation < biotissue.//Lasers in Surg.Med., 1993, v.13, p.470-484.

44 Карабутов A.A., Матросов М.П., Подымова Н.Б. Преобразована видеоимпульса продольных волн в сдвиговые волны при прохождени границы раздела жидкость твердое тело.//Вестник Моск.Унив., сер.: физ.-астрон., 1993, т.34, вып.5, с.55-58.

45 Карабутов А.А., Кудинов И.А., Платоненко В.Т., Согоян М.А. Тепловс излучение периодических металлических поверхностей.//Письма ЖЭТФ, 1994, т.59, вып.2, с.81-84.

46 Karabutov А.А., Kubyshkin А.Р., Punchenko V.Ya., Podymova N.I Overheating of metals under transparent films by pulsed lase beam.//Proc. SPIE, 1994, v.2257, p.75-82.

47 Карабутов A.A., Руденко O.B. Вероман В.Ю., Денисов Г.А., Андрее В.Г., Сапожников О.А. Оптико-акустический излучатель дл бесконтактного разрушения конкрементов в теле биообъекта. Патен РФ АС #1673085. от 30.08.91.

48 Esenaliev R.O., Karabutov А.А., Podymova N.B., Letokhov V.S. Lase ablation of aqueous solutions with spatially homogeneous an heterogeneous absorption.//Appl.Phys.B, 1994, v.59, 1, p.73-81.

49 Карабутов A.A., Клевицкий B.B., Мусаев M.A., Османов С.Ф. К теори: конфокального оптико-акустического микроскопа.//Вестни: Моск.Унив., сер.З, физ.-астрон., 1994, т.35, вып.5, с.46-52.

50 Карабутов А.А., Каксис А.О., Подымова Н.Б., Ухарский В.А. Влияни микропластичности на затухание ультразвука в стеклопластиковы: композитах.//Акуст.ж., 1994, т.40, вып.5, с.812-815.

51 Карабутов А.А., Кудинов И.А., Платоненко В.Т., Согоян MJ. Аномалии Вуда в тепловом излучении металлических дифракционны: решеток.//Вестник Моск.Унив., сер.З, физ.-астрон., 1995, т.36, вып.1 с.27-32.

52 Karabutov А.А,, Sogoyan М.А. Interaction of IR laser radiation wit!

periodic metal surfaces.//Infrared Phys.and Technol., 1995, v.36, 1, p.191-216.

3 Karabutov A.A., Podymova N.B., Letokhov V.S. Time-resolved optoacoustic detection of absorbing particles in scattering media.//J.Modern Optics, 1995, v.42, 1, p.7-11.

4 Карабутов A.A., Кононец КВ., Подымова Н.Б. Широкополосная акустическая спектроскопия сдвиговых волн на основе термооптического источника ультразвука//Акуст.ж., 1995, т.41, вып.1, с. 95-100

5 Karabutov A.A., Letokhov V.S., Podymova N.B. Time-resolved optoacoustic measurement of absorption of light by inhomogeneous mediua//AppLOptics, 1995, 34, 9, 1484-1487.

6 Карабутов A.A., Подымова H.B. Неразрушающий контроль усталостных изменений структуры композитов лазерным ультразвуковым методом//Механика композитных материалов, 1995, т.31, вып.З, с.405-410.

7 Карабутов A.A., Кубышкин А.П., Панченко В.Я., Подымова Н.Б. Динамический сдвиг точки кипения металла при лазерном воздействии.//Квантовая электр., 1995, т.22, вып.8, стр.820-824.

8 Karabutov A.A., Podymova N.B. Nondestructive material characterization by laser-excited longitudinal and shear acoustic waves//Proc. SPIE, v.2772, p.423-430, 1996

9 Карабутов A.A., Кудряшов С.И., Кузнецов C.B., Зоров Н.Б., Кузяков Ю.Я. Фотохимическая абляция пенографита//Изв.РАН, сер.физическая, т.60, вып.З, с.2-9, 1996

0 Karabutov A.A., Letokhov V.S., Podymova N.B. Time-resolved optoacoustic diagnostics of tissue//Modern Problems of Laser Physics (Ed.S.N.Bagaev, V.I.Denisov), Novosibirsk, 1996, p.477-487 il Karabutov A.A., Podymova N.B., Letokhov V.S. Time-resolved laser optoacoustic tomography of inhomogeneous media//Appl,Phys.B, v.63, 6, p.545-563, 1996

62 Karabutov A., Aslanov L., Podymova N., Schenk H., Zakharov V. Pulse optoacoustic effect in photoemulsions //Laser Physics, v.6, №6, p.llOi 1113, 1996

63 Карабутов A.A., Асланов JI.A., Захаров B.H., Подымова HJ Исследование оптических свойств фотоэмульсий импульсным оптике акустическим методом//Вестник Моск.Унив., сер.З, физ.-астрон., 199' т.38, вып.З, с.25-29.

д//

/,У

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ

И ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ Й

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ФИЗИ

иН^ЙВДЧЬ^ЙНи В А-ВР ТОРО С ОБА

(решение от 'У/

г., №

ДОКТ1

__ наук

Начальник

России :

правах рукописи

правления /

УДК 534.212+534.232

КАРАБУТОВ Александр Алексеевич

ЛАЗЕРНАЯ ОПТОАКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ПОГЛОЩЕНИЯ

СВЕТА И ЗВУКА

(Специальность 01.04.21 - лазерная физика)

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ ................................................ 6

ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СОБСТВЕННЫХ АКУСТИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ВОЛН В ЛИНЕЙНОМ АКУСТИЧЕСКОМ

ПРИБЛИЖЕНИИ....................................32

§1.1. Связанная задача термоупругости в вязкой

теплопроводящей среде...............................32

§1.2. Малые параметры в связанной задаче термоупругости.......37

§1.3. Переход связанных акустических и тепловых волн

через границу раздела сред ...........................41

ГЛАВА 2. ТЕРМООПТИЧЕСКОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ЗВУКА НЕПОДВИЖНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ.

МЕТОД ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ ..................47

§2.1. Термооптическое возбуждение плоских акустических волн в

жидкости ..........................................48

§2.2. Термооптическое возбуждение трехмерных акустических

полей в жидкости ...................................56

§2.3. Лазерное возбуждение продольных волн в теплопроводящем

твердом теле .......................................66

§2.4. Термооптическое возбуждение трехмерных акустических

полей в твердом теле .................................75

Рисунки к главе 2 ......................................81

ГЛАВА 3. НЕЛИНЕЙНЫЕ, ДИССИПАТИВНЫЕ И ДИФРАКЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗБУЖДЕНИИ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН. ............................. .93

§3.1. Влияние тепловой нелинейности на лазерное возбуждение

звука 93

§3.2. Влияние акустической нелинейности на лазерное

возбуждение звука . . . ...............................99

§3.3. Нелинейная, диссипативная и дифракционная

трансформация акустических видеоимпульсов ............102

Рисунки к главе 3 .....................................108

ГЛАВА 4. ЛАЗЕРНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

В ДВИЖУЩИХСЯ СРЕДАХ .........................121

§4.1. Метод фазовой плоскости ...........................122

§4.2. Возбуждение акустических волн движущимся лазерным

лучом в идеальном газе ..............................125

§4.3. Акустические волны конечной амплитуды в

околозвуковой области течения сжимаемого газа .........135

Рисунки к главе 4 ......................................146

ГЛАВА 5. ЛАЗЕРНАЯ ОПТОАКУСТИЧЕСКАЯ ТОМОГРАФИЯ

ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА ..............................159

§5.1. Обзор работ по оптоакустической томографии

поглощения света .................................. .159

§5.2. Элементарная теория оптоакустической томографии ......165

§5.3. Генерация звука на поглощающих включениях ...........171

§5.4. Восстановление распределения поглощения света .........177

§5.5. Импульсный оптоакустический эффект в

фотографических эмульсиях ..........................188

Рисунки к главе 5 ......................................206

ГЛАВА 6. ОПТОАКУСТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ПОВЕРХНОСТНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА ............227

§6.1.Исследование поглощения света гладкими

поверхностями .....................................228

§6.2.Динамический сдвиг точки кипения металла при

лазерном воздействии ...............................234

§6.3.Резонансное возбуждение поверхностных

электромагнитных волн на дифракционных решетках

в ИК-диапазоне: аномалии поглощения и отражения ......246

§6.4.Аномалии Вуда в тепловом излучении

металлических дифракционных решетках ...............255

Рисунки к главе 6 ......................................263

ГЛАВА 7. ШИРОКОПОЛОСНАЯ АКУСТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ НЕОДНОРОДНЫХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД С ЛАЗЕРНЫМ

ИСТОЧНИКОМ УЛЬТРАЗВУКА .......................286

§7.1. Широкополосный акустический спектрометр

с лазерным источником ультразвука ...................287

§7.2 Исследование поглощения ультразвука в

коллоидных растворах ...............................291

§7.3. Исследование затухания продольных

ультразвуковых волн в поликристаллических

материалах ........................................294

§7.4. Термооптический генератор широкополосных

импульсов сдвиговых волн ...........................301

§7.5. Исследование затухания сдвиговых ультразвуовых

волн в металлах ....................................305

§7.6. Широкополосная акустическая диагностика

слоистых композиционных материалов ..................310

§7.7. Прямое наблюдение формирования ударного

фронта акустической волны в твердом теле ..............316

Рисунки к главе 7 ......................................321

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................341

ЛИТЕРАТУРА .............................................347

ВВЕДЕНИЕ.

В настоящей диссертации приводятся результаты исследований автора, полученные в 1975-1996 г.г. на физическом факультете МГУ им. М.В.Ломоносова. Диссертация содержит решение комплекса теоретических и экспериментальных проблем, связанных с использованием оптоакустического эффекта для исследования поверхностного и объемного поглощения света, объемного и поверхностного затухания ультразвука.

В работе обоснована применимость модели несвязанной задачи термоупругости для описания лазерного термооптического возбуждения ультразвука, развита теория термооптического возбуждения ультразвука неподвижным и движущимся с трансзвуковой скоростью лазерным лучом, с учетом тепловой и акустической нелинейности, при конечных размерах луча, в идеальной и в диссипативной средах. Развита теория термооптического возбуждения звука в микронеоднородных средах и решается задача реконструкции распределения интенсивности света в среде по временной форме оптоакустического сигнала. Развит оптоакустический метод исследования поглощения света реальными поверхностями и исследовано взаимодействие излучения среднего ИК диапазона с периодическими металлическими поверхностями. Созданы лазерные источники "стандартных" ультразвуковых импульсов и с их помощью исследовано затухание продольных и поперечных волн в различных микронеоднородных материалах (металлах и сплавах, керамиках, композитах и т.п.) в широкой полосе частот.

Актуальность исследований обусловлена принципиально новыми возможностями, которые дает лазерная оптоакустика в исследованиях текущего состояния вещества. Начало работы совпало с бурным развитием

лазерной фото- и оптоакустики. Предложенная Розенцвайгом и Гершо в 1973 г. модификация метода фотоакустической спектроскопии, позволившая исследовать спектры поглощения света в конденсированных средах, дала основу широкому классу работ по фотоакустической спектроскопии. Использование газомикрофонной регистрации фотоакустического сигнала позволяет, однако, исследовать только приповерхнстные слои вещества на глубинах порядка длины диффузии тепла. Для иследования более глубоких слоев необходимо использовать прямую регистрацию оптоакустического синала.

Важное значение для развития работ по лазерной оптоакустике в СССР имела публикация в 1973 г. обзора Ф.В.Бункина и В.М.Комиссарова, содержащего анализ первых исследований в этой области. Усилиями ученых Акустического института, ФИАН, Московского государственного университета была создана теория оптоакустического эффекта в жидкостях и твердых телах, проведены экспериментальные исследования, подтверждающие правильность теоретических моделей. Полученные результаты явились основой нового направления - лазерной оптоакустической диагностики.

В фотоакустической спектроскопии информацию о поглощении света средой получают из зависимости амплитуды и фазы осцилляций температуры при облучении ее периодически модулированным световым потоком. Поэтому для нахождения трехмерной картины распределения источников тепла в среде (связанных с поглощением света) необходима регистрация сигнала в широкой полосе частот модуляции, что не позволяет производит измерения в реальном масштабе времени. В отличие от нее при импульсном лазерном облучении исследуемой среды и регистрации возбуждаемых при этом акустических сигналов с высоким временным

разрешением возможно исследование распределения поглощения и неоднородностей среды буквально за один лазерный импульс.

Для реализации этой возможности необходимо найти связь временной формы возбуждаемого акустического сигнала с распределением поглощения света в среде и формой лазерного импульса; необходимо решить обратную задачу восстановления распределения поглощения света по форме оптоакустического сигнала; решить проблему адекватной регистрации широкополоных акустических сигналов. Эти задачи и решаются в настоящей диссертации.

Оптоакустическое исследование неоднородных сред в последнее время привлекает все большее внимание в связи с проблемами диагностики биологических сред и тканей. Этот метод, наряду с методами, основанными на рассеянии света, представляется наиболее перспективным для диагностики оптических неоднородностей тканей in vivo. Более того, пропорциональность оптоакустического сигнала коэффициенту поглощения света делает этот метод уникальным для диагностики этого параметра в сильно рассеивающих свет средах, коими являются биологические ткани.

Оптоакустический сигнал появляется практически при любом взаимодействии импульсного лазерного излучения со средой. Поэтому представляется вполне естественным использовать этот канал для получения информации о динамике взаимодействия лазерного излучения с поглощающей средой. При традиционных оптоакустических измерениях регистрируется только амплитуда оптоакустического сигнала, что позволяет судить только об интегральной величине поглощенной энергии. Преимуществом оптоакустического метода, при этом остается оперативность получения информации о поглощении излучения поверхностью, в том числе и рифленой, эффективность измерений при относительно малом (по

сравнению с коэффициентами отражения и рассеяния) коэффициенте поглощения света.

С другой стороны регистрация оптоакустических импульсов с высоким временным разрешением позволяет исследовать процесс поглощения лазерного импульса и изменения фазового состояния вещества в его динамике. Это дает уникальную возможность исследовать фазовые состояния вещества при высоких давлениях и температурах в лабораторных условиях, исследовать метастабильные короткоживущие состояния вещества.

Термооптическое возбуждение ультразвука дает уникальную возможность возбуждать короткие и мощные акустические импульсы легко контролируемым образом. Они могут быть эффективно использованы для целей широкополосной акустической спектроскопии и неразрушающего контроля. Обычно, однако, эффективность возбуждения ультразвука лазерным излучением в конструкционных материалах невелика. Поэтому было необходимо разработь специальные термооптические источники "стандартных" акустических импульсов и отладить методику регистрации широкополосных акустических сигналов.

Пелью работы являлась разработка методов лазерной оптоакустической диагностики поглощения света и ультразвука в неоднородных средах.

Задачи исследования:

• теоретически и экспериментально исследовать термооптическое возбуждение ультразвука в неоднородных средах, исследовать связь распределения поглощения света и временной формы возбуждаемого оптоакустического сигнала;

• исследовать взаимодействие излучения среднего ИК-диапазона с

металлическими рифлеными поверхностями;

• разработать метод и создать аппаратуру для широкополосной акустической спектроскопии с лазерными термооптическими источниками ультразвука;

• исследовать затухание продольных и сдвиговых акустических волн в конструкционных материалах.

Научная новизна и практическая ценность работы.

1. Создан комплекс широкополосного оптоакустического спектрометра с лазерными источниками ультразвука, предназначенный для исследования затухания ультразвука в неоднородных материалах в полосе частот 1-100 МГц при амплитудах импульсов давления от 1 кПа до 10 Мпа в реальном масштабе времени.

2. Впервые методом фазовой плоскости исследованы нестационарные трансзвуковые течения сжимаемого газа, решена аналитически задача об акустической проводимости критического сечения.

3. Впервые оптоакустическим методом исследовано поглощение ИК излучения периодическими металлическими поверхностями и обнаружена макроскопическая трансформация распределения интенсивности в зеркально отраженном от металлической дифракционной решетки световом пучке в условиях проявления аномалий Вуда.

4. Впервые предсказана и экспериментально обнаружена анизотропия теплового излучения металлических дифракционных решеток, связанная с аномалиями Вуда.

5. Впервые разработана методика широкополосной акустической спектроскопии сдвиговых волн в диапазоне частот 1-40 МГц с использованием лазерных источников ультразвука.

6. Развита лазерная оптоакустическая методика измерения распределения

поглощения света в неоднородных средах.

7. Предложен метод исследования динамики кипения металлов при импульсном лазерном нагреве их зажатой поверхности, позволяющий достичь температур и давлений, практически недоступных при квазистационарном нагреве, в том числе близких к критическим.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. Метод передаточных функций для решения задачи термооптического возбуждения звука неподвижным лазерным лучом.

2. Результаты теоретического анализа термооптического возбуждения звука движущимся с трансзвуковой скроростью лазерным лучом.

3. Экспериментальная методика широкополосной оптоакустической спектроскопии продольных и сдвиговых волн с лазерными термооптическими источниками ультразвука.

4. Лазерная оптоакустическая методика исследования распределения поглощения света в неоднородных средах.

5. В условиях проявления аномалий Вуда наблюдается макроскопическая трансформация распределения интенсивности света в зеркально отраженном пучке, угловой спектр которого шире вудовского резонанса решетки; трансформация обусловлена интерференцией электромагнитных волн, отраженных как от плоской поверхности, с волнами, порожденными переассеянием ПЭВ в нулевой порядок дифракции.

6. Тепловое излучением металлических дифракционных решеток анизотропно; наблюдаются максимумы спектральной интенсивности излучения, связанные с резонансным перессеянием волн на периодическом рельефе.

7. Результаты оптоакустической диагностики затухания ультразвука в микронеоднородных средах - металлах, керамиках, композитах.

8. Результаты оптико-акустического исследования поглощения света в неоднородных средах - магнитных жидкостях, фотографических эмульсиях.

9. Методика и результаты оптоакустического исследования фазового состояния вещества при импульсном лазерном нагреве.

Апробация работы. Основные результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры общей физики и волновых проецссов, кафедры акустики физического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова, семинарах Института спектроскопии РАН, НИЦТЛ РАН, Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Тбилиси, 1976 г., Ереван, 1982 г., Минск, 1988 г., Ленинград 1991 г.), Всесоюзных акустических конференциях (Москва, 1977, Москва, 1983 г., Москва, 1991 г.), Всесоюзных конференциях по нерезонансному взаимодействию излучения с веществом (Ленинград, 1981 г., Вильнюс 1984 г., Ленинград, 1090 г.), Международных симпозиумах по нелинейной акустике (Москва, 1975 г., Лидс, 1981 г., Новосибирск, 1987 г.), Международных симпозиумах по инфракрасной физике (Цюрих, 1988 г., Аскона, 1994 г.), конференциях по биомедицинской оптике (Сан Хосе, 1995 г., 1996 г., Барселона, 1996 г.), Международных конференциях по неразрушающему контролю (Санкт-Петербург, 1993 г., Москва, 1995 г., 1996 г.) и других.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 75 научных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитированной литературы. Диссертация содержит 363 страниц машинописного текста, включая 7 таблиц, 94 рисунка и список цитируемой литературы из 205 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и выбор направления исследования, формулируется цель и задачи диссертационной работы. Здесь же приводятся основные положения диссертации, выносимые на защиту, и дается краткая аннотация результатов, изложенных в последующих главах.

В первой главе рассматривается связанная задача термоупругости для вязкой теплопроводящей среды. Она имеет в основном методический характер и обосновывет применимость используемой в дальнейшем модели несвязанной задачи термоупругости для описания термооптического возбуждения ультразвука. В линейном акустическом приближении получены дисперсионные соотношения для связанных волн потенциала колебательной скорости и энтропии. Показано, что термоупругая связь акустических и энтропийных возмущений приводит к перенормировке волнового вектора энтропийной волны и добавке к мнимой части волнового век�