Новые эффекты в светоакустике тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

(¡ь

АКЛДЕЧИЛ наук ссср институт обиея ФИЗИКИ

На правах рукописи удк 534.232 534.142

¡суда АЛЕКСАНДР маджирошч

НОШЕ ЭЭТ'ЕКТЫ в светоакустике П1.04.21. Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание, ученой степени кандидата Физико-математических наук

Работа рыполнена п Институте о^щей Физики АН СССР

Научный руководитель: Ведущий научный

сотрудник ИОФАН Г.А.Аскарьян

Официальные оппоненты: доктор Физико-математических наук

4

В.Г.Мяхалевич доктор Физико-математических наук Ю.П.Райзер

Петутпая организация: Акустический институт АН СССР

г.Москва

Зашита диссертации состоится "« ? 199 2-г.

в час. на заседания специализированного совета К 003.49.02 Института о<1шей Лизики АН СССР по адресу: 117Э42, Москва, В-333, ул.Вавилова, 38.

С дисселтапией можно ознакомиться в (библиотеке ИОФАН.

АятогеФегат разослан

"<3а^199/г.

Ученый секретарь

спепиализированного совета /^7¿Ь'^Т.Б.Воляк

ОПГАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность теми у

Появление лайерог открыло новую ару развитая и свотоакус-ткко. Ногио позмогагостн связаны с получением мойных, доле гщфсшлг.чоскпх, ультра к гипорзвуковых импульсов /I/ паи использовании мощных или хорояо с<К1куси}чтшшнх лучой И С ВОЗМОЖНОСТЬЮ возЛудмть звук дистантюшю, бесконтактно, что связано о хоролой иапраБДанкооть» лазерного излучения.

В последнее время отрокам фронтом развиваются работы по дазорной светоакустико, резко увеличилось число статей, сб-гороп и монографий /2-6/, проводятся специальные мвздународ-ша кокЯервипин, поевлшаннно этоцу вопросу - в 1979 и в 1981 гг.

- в США, в 1283 г. - во Фрашик, в 1985 г. - в Канаяе, в 1987 г.

- в ФРГ, в 1959 г. - вновь в США.

1!,\»1шо возможности двстакхконного г-озбуадения звука лучами лазора наала широкое. прягйкогао в гидроакустике, породили коенв класс акустггчасякх ачтеш! - свэтоакустичосгл1х, создали кезыэ вник интроспоагш, дэяагш.

По «аустачоскс?,^ спгтлу ;.?о.тао опрадолнть коэф^танонт ио-хйовонея ерзды нла погло-^гхэй сгег хоЗангш с очень йольяэз спектральной точнсстьи, чуЕстаятедькост:: такого метода спзкт-

- 4 -

роскопин являотся чрезвычайно высокой /7,8/.

Но несмотря на большое количество работ, посвященных лазерной акустике, многие практически интересные исследования по сих пор не были проведены.

Данная диссертация посвящена новым исследованиям в сва-тоакустнке. Диссертантом проведены экспериментальные исследования, выявившие новые светоакустичесхнэ гФТекты, приводятся теоретические расчеты для обоснования этих эЗФзктов и их применений.

В диссертации решена задача обнаружения и исследования новых нелинейных взаимодействий света и звука с веществом, увеличивающих эффективность светоякустики. Научная новизна габотн.

Основная новизна полученных результатов заключена в выявлении и экспериментальном подтверждении ряда светоакустп-ческих э<№ектов. Практическая значимость.

Результаты работы могут быть использованы в ИОФАНе, ' ФИАНе, Акустическом институте и других центрах, ведущих акустические и лазерные исследования дяя управления распространением звуковых волн, интроскопии, передачи изображения, для увеличения чувствительности свотоакустических методов иссло-ловшгая, при исследовании нелинейных свойств среда и налнной-тгх акустических процессов, дистанционного акустического воздействия, в медицине для диагностики я литотрипсии, а также в мэрской практике - для сездалия гидроакустических антенн, эхолокации и других областях.'

- 5 -

Аптобапия таботы и публикации.

Результата работы неоднократно докладывались на семинарах ИОФАН и ФИАН и опубликованы в восьми работах в ведущих научных журналах. QfogM в „стуггурз работа-

Диссертация состоит из введения» пяти глав, заключения и списка литературы из 114 наименований, работа содержит 115 страниц и 33 рисунка.

Личный вклап автота в получении изложенных в диссертации результатов заключается в еле душем:

1. Создание экспериментальных установок и методик.

2. Проведение экспериментов.

3. Обработка и объяснение экспериментальных результатов к анализ возможного практического применения.

С0ДЕРЕАШ1Е РАБОТУ.

Во введение показана актуальность работы, практическая значимость внполношшх исследований. Изложены основные принципы светотврмооптичаского возбуждения звука и дан обзор литературы по отому и другим вопросам светоакустики, затронутых в диссертация. Кратко изложено содэргшгае диссортащш.

Петаан глава посвжвна проваленному впервые экспериментальному исследований по направленному распростаненпю звука по сяоду светового луча.

Обычно в наиболее практически интересных случаях звуко-еыэ лучи сильно расходятся, таг. как д,тана звуковой волны не монет быть сделана слияком малой из-за сильного возрастания

- 6 -

поглощения звука с 'уменьшением олины волны.

Одна из возможностей - использовать самофокусировку звука, рассмотренную ешо в /9/, однако, она требует дчстаточно длительного воздействия мощного звука на среду. Это во многих случаях неудобно.

Однако, в /9/ было предложено также создавать звуководы следами световых лучей в средах. Этот случай комбинированных нелинейных взаимодействий и стал предметом наших экспериментальных исследований.

Чтобы след светового луча образовал эвуковод, необходимо, чтобы скорость звука внутри следа была меньше, чем по краям. Это можно достичь двумя путями - уменьшая скорость звука на оси или увеличивая скорость звука по краям луча. Условия захвата звукового луча можно записать из условия компенсации дифракции нелинейной ретракцией по аналогии о оптикой в виде

е

где С5 - скорость звука, - дифракционный угол,- - угол нелинейной ретракции.

Изменение скорости звука при прохождении мощного светового луча мояет бить связано с двумя процессами: нагревом среды или образованием пузырьков газа.

При нагреве изменение скорости звтаа и *ля воды в"Широком диапазоне температур с(с4/<Л1=4-5 и/о град. >0, т.е. для захвата звука световой луч должен быть трубчатым.

. Однако, при наличии взвешенных мелких частичек (а в реальных жидкостях всегда еЬть взвеси) при вспышке лазера может

лс « (с^/о/ТКГ

произойти нагрев их поверхностей и окружающих слоев воды, что может вызвать появление пузырьков из-за ввделения растворенного газа из жидкости или частиц (растворимость газа уменьшается с увеличением температуры) или из-за сублимации частичек и испарения воды. При этом пузырьки могут жить достаточно долго не только из-за пересыщения при нагреве, но и из-за реальной газированности жидкостей. А появление пузырьков может существенно повлиять на скорость звука. Действительно, скорость звука зависит от сжимаемости жидкости, а присутствие пузырьков может существенно ее изменить. Это изменение связано с динамикой колебаний пузырьков. Каждый пузырек - резонансная система с собственной частотой колебания. Если частота звука меньше резонансной частоты пузырька, он колеблется ква-зистатически - сжимается при увеличении давления, т.е. сжимаемость жидкости резко увеличивается в присутствии пузырьков, и скорость звука уменьшается. Если частота звука выше резонансной, лузырьки колеблются в противогазе - расширяясь при увеличении давления, они тем самым увеличивают жесткость жидкости, и скорость звука увеличивается.

Наш впервые наблюдалось направленное распространение звука по следу светового луча. Эксперименты были выполнены на неодимовом лазере, луч которого проходил в 50-литровый бак с водой. Лазер работал или в режиме свободной генерации (р анергией 300 ДяО без и с поджатием луча телескопом, или в режиме гигантских импульсов при модуляции добротности твердотельным пассивным затвором на Р с Р- центрами, с энергией 10 Дк баз поджатая луча при апертуре 4,5 см.

В настой воде в режиме свободной генерации лазера с

- р -

поджатием луча телескопом била с;азу получена нодфокусиропка звука в тепловом ело ив енотового трубчатого луча.

Плл сознания пузырькового следа луча использовался лазер в режиме гигантских импульсов. Неподжптий трубчатой луч проходил через воду, чуть замутненную взвесями, служащими центрами рождения пузырьков при импульсном локальном иагрове. Этот вид звуковода обеспечивал большие перепады якустичоских свойств, а требовал для создания малые погонные энергозатраты. Способность жидкости выделять газ и сильное ялиянио этого на скорость звука позволили осуществить транспортировку и аа&зат звука даже с частота»™ R0 кГц и соответственно большой расходимостью. Направленное распространенна зв.ука могот быть использовано в скето-акустических антеннах и в акустике во всех случаях, когда желательно уменьшить расходимость звука, а также для управления распространением звукового потока не только в акустике, но и гиперакустике при вынужденном мандольштам-бриллпэновском рассеянии ; Нормируя профиль сватовой интенсивности, можно вызвать расфокусировку или Фокусировку гиперзвука, изменить длины взаимодействия света и звука, изменить келяной-ные воздействии гиперзвука на среду.

Чнло обнаружено еще одно влияния света на прохождение звука - быстрое акустическое просветление среды лрн вспышка ла^зпа.

Схема модельного эксперимента юзсьма проста, В жидкость с большим поглощением зву1«а (глицерин, охлажденный в холодильнике ) пометались две стеклянные призмц с коэффициентом преломления, весьма близким к коэффициенту прзлошшия гиякостк? Через них почти прямо прохо/сил луч евзга лааерз, яипульсно

нагревал глиперин и уменьшал поглощение звука. Звук отражался от одной. призмы, попадал на трассу луча света и уводился из трассы другой призмой. Было зарегистрировано резкое увеличение прохождения звука после вспышки лазера.

Такие системы могут быть использованы как затворы, пропускайте звук.

Светошщуцируюиее акустическое просветление может быть гораздо более быстрым и эффективным, чем самопросветлениа мощных звуковых пучков.

Вторая глава посвадена новым возможностям светозвуковой интроскопии. Обнаружение нооднородноетей в средам по отражению свата затруднено, когда неоднородности поглощают или не отраашат свет, или когда слой среды, в котором находится тело, мутны;!. В атом случае юаю использовать светоакустику - лоци-ровать обаек? по звуковому импульсу, возникающему при поглощении света поверхностью тэла или грающей непрозрачного погло-щащого слоя среды.

Шли наблюдены сигналы обнаружения нооднородностей в епдкости, объема в на поверхности шгексигласа.

Светоакустическая интроскопия монет быть осуществлена и в случае, когда объект находится в области среды, не прозрачной для света (цапрг^ор,'в придонном слое ила, гидкого грунта и т.д.) .Тогаа на граница поглощения света от светового импульса возникнут таркозвуповые импульсы, распространящиеся от в внутрь грангцн, иапримзр, вверх и вши.

■Наш показано, что, посылая световой импульс и пришлая отрасеннш звуковао шдлульсн, я зная только моменты времени их прзшзда^ ц "к 2. '''овао сразу узнать расстоязиэ Ь до рельефа

- 10 -

дна или объектов, лежащих на пне, не интересуясь глубиной границы я толщиной непрозрачного придонного слоя ила:

Был поставлен модельный эксперимент. Зеленый луч лазера па-пал сверху на поверхность воды в бак, вблизи дна которого вода была замутнена поглощающими свет золями. Идущий вворж светотермозвук, рожденный на фронте слоя поглощения, давал первый импульс, идущий вниз звук шал по замутненному слою, отражался от дна или объекта на дна, шел вверх и давал второй импульс; величина Ь оказалась весьма близкой к глубине воды. Так выявлялись объекты, левада» на дне в замутненном слое.

Преимущества светозвуковой интроскопии по сравнения с ультразвуковой локацией связаны с малой расходимостью лазерного пучка по сравпшгаю с прямым ультразвуковым лоцаронанизм п ускорением процесса лоцирования в два раза.

Эти исследования могут быть использованы для светозвуковой интроскопии п обнаружения неоднородноотей в гидкостяж, твердых я газообразных средах, для контроля однородности. сред, для создания светозвукового микроскопа плп се этозвуковая голографических систем.

В этой же главе списана и экспериментально исследована

возможность использования СаМОфОйуСНрОВНН цзлучвглзя для интроскопии высокого разрешения.

Известно, что самофокусировка вызывает сзатие светового луча/9/, а увеличение интенсивности овзта, дойстаужцего на объект, приведет к усилению енотового и звукового огаляна. Сгштгэ луча приведет тадягэ а увеличены!) разр-о^оння полоео'КЯ объекта.

- II -

Е!сть и третье, весьма существенное обстоятельство, которое может значительно улучшить транспортировку отклика назад и обеспечить направленность отражения. Световой луч при самофокусировке изменяет свойства среды, причем это изменение мояэт существовать достаточно долго и быть использовано для транспортировки назад отклика.

В эксперименте использовался неодимовый лазер, трубчатый луч которого позволял осуществлять так называемуи "банановую" Фокусировку /10/ основного излучения.

Световой отклик регистрировался по отражению и рассеянию от тела либо основной гармоники (с помощью приемника, чувствительного к ИК излучению), либо второй гармоники, либо подкрашивающего излучения, например, излучения непрерывного гелий-неокового лазера мощностью несколько мВт, вводимого в систему при отражении от наклонной пластинки.

Б процессе экспериментов было наблюдено усиление отклика - рассеяние излучения гелий-неонового лазера от тела -металлического шарика при самофокусировке излучения основного лазера. Было исследовано усиление оптического отклика во времени с помощью Фотоприамников ФК и ФЭУ. Эти приемники фиксировали усиление отклика прямо для основной гармоники. Было наблюдено усиление отражения в несколько раз к моменту появления яркого пятна на объекте. При самофокусировке основного луча было получено в луче подсветки изображение креста, нанесенного на объект, даже при &отограг1ировании на открытую пленку Фотоаппаратом со снятым объективом. Таким образом, впервые бнло передано изображение с помоиью сам&токусирогкл.

С помощью пьезоприемника зарегистрировано усиление тер-иоавукоБЦХ у.млул.еов, Еозникахших от черненого шаржа при саиоФс-

- 12 -

кусировке луча основного лазера. Исследовано распределение акустического отклика тут разных положений объекта относительно оси луча дли различных времен, характеризующих разные стадии самофокусировки. Выявлено, что самофокусировка при неизменной амплитуде папаших лазерных импульсов не только увеличивает амплитуду звуковых импульсов, но и резко увеличивает четкость выявления тела.

Третья глава. Посвящена управлению генерацией звука в среде. Исследуется вопрос об управлении амплитудой и длительностью звукового импульса подбором формы сечения и распредзле-ния луча, увеличения амплитуды звука при приближении светового луча пласмя к границе сред: наибольший интерес для практики представляет полузатопленный луч - свободная поверхность воды может резко увеличить амплитуду и эффективную частоту термозвукового импульса.

В этой же главе рассмотрены сходящиеся звуковые импульсы, возникающие внутри импульсного светового луча в среда с малым поглощением. Большая часть работ по исследованию сходящихся волн выполнона для трубчатых энерговыделений /5,11/, давших сходящиеся волны сжатия. Случай жо сплошного энерговыделения, создающего идущую внутрь волпу разрггенпя исследован гораздо меньше. В то же время он наиболее распространен практически и, например, играет существенную роль в нелинейной звуковой ретракции лазерных импульсов в слабопоглощащей среде, рассмотренной впервые в работе /12/. Однако, oso рассмотрение относилось в осноеном к краевой гоне светового луча и начальной стадии звукового процесса.

В предлагаемой вниманию диссертации описаны эксперимэи-

- 13 -

тальные исследования звукового импульса вблизи оси светового луча малыми пьезодатчиками и по ретракции вспомогательного светового луча. Показано влияние резкости краевого спада светового луча на амплитуду и длительность идущего к оси звукового импульса. Приведены практические применения усиления звука на оси: образования каналов пониженной плотности и разрывов сред для проведения пучков частиц, образование уплотнения среды для све-товоиного распространения, для увеличения чувствительности свето-акустических методов исследования и т.п. Оценен сравнительный вклад стрикционного звука.

Четвертая глава посвящена генерации мощных ультразвуковых импульсов активной плоской или (^окусирушей поверхностью /13/. Описана генерация я Фокусировка в малом пятне мощного ударного (в тысячи атмоа*ер) ультразвукового импульса при световом взрыве изогнутых поверхностей (металлизованная лавсановая пленка, слой поглошавдей краски и т.д.). Исследовано дробящее действие такого импульса на камни. Для сравнения приведено описание этого излучателя, работающего при электрическом взрыве металлизованной лавсановой пленки. Приведены оценки с учетом нелинейности распространения звука, показывагашо, что давления близки к предельным для данной геометрии, но могут быть увеличены при увеличении угла Фокусировки. Приведены применения такого источника звука: исследование нелинейных свойств среды и нелинейных акустических процессов, исследование черенковского излучения звука от звука, дистанционной деструкции сред и т.д.

Пятая глаза является дополнением к предыдущим главам, посвящена способу Нормирования распределения интенсивности лазера для светоакустических исследований. В этой главе приводится описание нового зеркала рязонатора, с помошыо которого в экспериментах

- 14 -

п Лило почучоно одноропное распределение интенсивности. Зепкато состоит чп многах отражавших стеклянных плоскостей, наклоненных к осп нелоиатора на угол ^ — угл. мин и развернутых друг относительно друга на угол 21Г/п, где п - число плоскостей. Содержание этой части работы моано отнести ко всем птодндуиим главам, так как тля осуществления июшх из описанных Фонтов требуется иметь мощный итрокоапертурный лазеп с хорошей однородностью излучения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТ РА КУШ.

1. Экспериментально наблюдалось направленное распространение звука по тепловому и пузырьковому следу светового луча р среде,

2. Экспериментально реализовано быстрое акустическое просветление егед рспшжой лазерного луча.

3. Предложена и экспериментально продемонстрировала возможность обнаружения неровностей дна или объектов на дне в непрозрачном, мутном слое с помошью светозвуковой интроскопии.

4. Экспериментально показаны возможности нелинейной интроскопии высокого разрешения, использующей э(№ект самофокусировки.

5. Осуществлена направленная передача изображения по каналу самофокусировки.

6. Экспериментально показана возможность увеличения амплитуды светотермозвука от лазерного луча, леяашего на поверхности двух срад (например, на граница воздух-пода и т.п.).

7. Экспериментально показано влияние рззкости краевого спада светового луча на амплитуду и деятельность СЕЭтотермо-звукового импульса вблизи оси'луча. Выявлены ^окусирутаяо

- 15 -

и рас^юкусирукшие стадии ретракции света на таких сходящихся и отраженных звуковых волйах.

8. Создана установка для генерации и Фокусировки в жидкости мощных ударных ультразвуковых импульсов, получены импульсы давления ^ 1000 атм. в Фокусе, оценено влияние нелинейности при световом и электрическом взрыве сферической ивогнутой пленки на Фокусировку такого импульса.

Основные результата диссертации идлощены в паботах:

1. Аскарьян Г.А., Юркин A.B. Новые исследования по свето-термоакустичо. Письма в ЕЭТФ. I9P6, т.43, JM, с.175-178.

2. Аскарьян Г.А., Юркин A.B. Акустическое просветление сред в лучах лазера. Акуст. ^урн. 1987. т.ЗЗ,Жьс.1Ш-П23.

3. Аскарьян Г.А., Юркин A.B. Нелинейная интроскопия вн-сокого разрешения - новое применение самофокусировки. Письма В ЕЭТФ. 1988. т.47, №10, с.493-497.

4. Аскарьян Г.А., Юркин A.B. Управление амплитудой, спектром и направленностью светотермозвука подбором аормы сечения светового пучка или боковым касанием границы сред. Акуст.журн. 1987. т.ЗЗ, Й2, с.370-373.

5. Аскарьян Г.А., Красновский А.Г., Юркин A.B. Звуковые импульсы внутри светового луча в слабопоглошашей среде, при-осевая кумуляцая звука и ретракция, света. ЕЭТФ. 1990. т.97, Р£, с .1767-1776.

6. Аскарьян Г.А., Королев М.Г., Юркин A.B. Генерация мощных ультразвуковых импульсов плоской или фокусирующей вогнутой поверхностью, взрываемой электрическим или световым воздействием. Письма в ЕЭТФ. 1990. т.5т, Ш, с.586-590.

7. Аскарьян Г.А., Юркик A.B. Новое в светоакустике,

- 16 -

УН. 1989. t.lbv, H, с.(об;юр).

Р. Кркин А.В. Новое зеркаю лазерного резонатора. Кг>я"тоиня электроника. 1991. т.IB. 'M, с.493.

Л И Т К F А Т УРА.

1. Аскагкчп Г.А., Прохоров А.'.!., Чаитурня Г.Ф., Ыипуло Г.Н. '!уч оптического квантового генегаторя р .тадкости. ЖУТФ. 1963.

Т.'14, У,"-. c.üIJ'O-iílfó.

2. Бункин ф.о., Комиссаров P.M. Оптнчоское возбуждение 3PVKOPHX ротн. А-'-.хт. чурн. 1973. т.19, УЗ, с.300-320.

3. Лпмдав Л.М, Сптико-якуетичэские источники звука. УФН. ТГ'П. т.Т.ч.', 44, с.cí37-f3f.

4. Д«?.г:«р V!. Ляз«рн в акустике. УФН. 1987. т.151, РЗ, . с.-179-1-26.

5. Егерер C.B., Ля.т:ев Л.М., Пученков С.т>. Лазерная динамическая оптоакустическая пиагнсстика конденсированных сред, yen. IP90. T.IcO. ,V9, c.III-162.

Р. "я-.'ир Л.'.'. Лаэегное термоолткческоэ возбуждение звука. '!. Havxa. IP??.

7. Sapo? Е.П., Летохов 2.С. Лазерная оптико-акустическая

спектроскопия. М. Наука. 1984.

F. Срегхтурстрительнач лазерная спектроскопия. Под ред. ÏÏ.K-та tirara. M. Мл p. 1986.

?. Аскатъян Г. А. Самофокусировка и Фокусировка ультра и гипегзрука. Письма в НЭТФ. 19€6. т„4, М, с. 144 ; Э^екг самсфо-кусигорки. 0-!?ор. УСН. 1973. т.Ш, с,249,

10. Аскарьян Г.А., Студенов 5.Б. "Банановач" сачойюкусяров-ка л^че;'.. Письма в 7STí, 190?: т.10, .'"3, сЛ13.

- 17 -

11. Аскарьян Г.А., Лацкевич Н.П., Кононов H.H., Кузьмин Г.П, Звуковой оптический ьилновой и канал у оси трубчатого лазера

в среде. Письма в ЖТФ.-1982. т,8, #3, с.152.

12. Райзер Ю.П. Самофокусировка опноропного светового пучка в прозрачной среде, вызываемая слабым поглощением. Нись:.:;; В ЖЭТФ. I9P6. т.4, IM, с.286.

13. Божков А.И., Кункин Ф.П. Оптико-акустичсский концентратор звука. Акуст.- курн. 1978. т.24, К, с.932-934..