Тепловое и флуктуационное взаимодействие лазерного излучения с конденсированными средами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

¿з . тУ с Д Ъй — /с т~

Министерство образования республики

Тадасикистан Таджикский государственный педагогический университет имени К.III. Джураева

.....„ // '-(с*

^ — ' На правах рукописи

3 ' УДК 535.21+535.26+535.95+536.48+541.14

............................'.....'

Салихов Тагаймурод Хаитович

Тепловое и флуктуационное взаимодействие лазерного излучения с конденсированными

средами

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Романов В.П. (Санкт-Петербургский государственный университет)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, ДУШАНБЕ — 1998

СОДЕРЖАНИЕ

17

Введение .........................................................6

ГЛАВА 1. Оптическое возбуждение первого, второго и четвертого звуков в сверхтекучем гелии и в растворе 3Яе-4Яе..........................................................32

1.1 Краткий обзор состояния вопроса. Некоторые численные оценки..............................................................32

1.2 Волновое уравнение для акустических полей в Не-Н.........45

1.3 Решение волновых уравнений. Результаты численных расчетов ............................................................52

1.4 Лазерная генерация акустических волн первого и второго звуков в растворе 3Не — 4Не ......................................64

1.5 Оптическое возбуждение четвертого звука...................77

1.6 Стационарное температурное поле сверхтекучего гелия при лазерном нагреве ..................................................87

ГЛАВА 2. Нагрев жидкостей и анизотропных твердых тел возбуждающим лазерным излучением ......93

2.1 Введение. Состояние вопроса..................................93

2.2 Нагрев жидкостей лазерным излучением. ...................103

2.2.1 Нагрев жидкостей тонким лучом (локальный нагрев) . 104

2.2.2 Численные расчеты. Сравнение с экспериментом. Оценка конвективных потоков..........................................110

2.2.3 Нагрев жидкостей широким лучом (объемный нагрев). 117

2.3 Лазерный нагрев анизотропных твердых тел...............120

2.3.1 Лазерный нагрев анизотропного слоя...................122

2.3.2 Лазерный нагрев цилиндрических образцов с одноосной анизотропией...................................................126

2.3.3 Лазерный нагрев цилиндрических образцов с анизотропной подложкой.................................................132

2.4 Теория фото акустического эффекта с учетом анизотропии

коэффициента теплопроводности.................................136

ГЛАВА 3. Особенности термохимического воздействия лазерного излучения на полимерные пленки 146

3.1 Краткий анализ результатов экспериментальных и теоретических работ.........................................................146

3.2 Математическийй модель.....................................157

3.3 Температурное поле в активационном этапе.................160

3.4 Динамика термодеструкции пленок поливинилового спирта в поле лазерного излучения........................................ 162

3.5 "Волновые " уравнения для температуры и концентрации для начального этапа развития ТХН.................................175

3.6 Сравнение с экспериментом..................................179

ГЛАВА 4. Многкратное рассеяние света вблизи критических точек...................................................184

4.1 Обзор теоретических и экспериментальных работ по одно-, дву-и многократному рассеянию света...............................184

4.1.1 Теория многократного рассеяния света.................189

4.1.2 Однократное рассеяние света............................194

4.1.3 Двукратное рассеяние света.............................204

4.1.4 Исследование спектра двукратно рассеянного света ... 212

4.1.5 Спектр многократного рассеяния........................215

4.2 Спектр двукратного рассеянния света на флуктуациях концентрации .............................................................221

4.2.1 Общие выражения для спектральных интенсивностей дважды рассеяного света на флуктуациях концентрации в реальной

геометрии эксперимента.......................................221

4.2.2 Форма спектра вдали и в непосредственной окрестности критической точки.............................................230

4.2.3 Расчет частотного и временного спектров в расслаивающихся системах 3-метилпентан-нитроэтан и нитробензол-гексан...........................................................234

4.3 Спектр двукратного рассеянния света на флуктуациях концентрации и адиабатических флуктуациях плотности..............247

4.3.1 Дисперсия скорости и поглощения звука в окрестности КТ рассливания....................................................247

4.3.2 Спектральная интенсивность двукратно рассеяного света на флуктуациях концентрации и адиабатических флуктуациях плотности......................................................256

4.3.3 Результаты расчета поляризованной и деполяризованной компонент спектра в расслаивающихся растворах нитроэтан-изооктан и нитробензол-гексан................................266

4.4 Интегральные интенсивности контуров двукратного рассеяния света...............................................................279

4.4.1 Использование соотношений между интегральными интен-сивностями контуров однократного рассеяния для определения критических индексов.........................................279

4.4.2 Соотношения между интегральными интенсивностями контуров двукратного рассеяния света...........................283

4.5 Двукратное рассеяния света в окрестности критической точки жидкость-пар......................................................291

4.5.1 Интенсивность рассеянного света в пространственно-неоднородной среде............................................293

4.5.2 Результаты численного расчета интегральной и спектраль-

ной интенсивностей для СО2..................................296

4.5.3 Рассеяние света, направленное вдоль гравитационного поля............................................................301

4.6 Рассеяние света на мелкомаштабных гидродинамических флуктуациях вблизи КТ расслаивания................................304

4.6.1 Рассеяние света на мелкомаштабных флуктуациях концен трации..........................................................306

4.6.2 Рассеяние света на мелкомаштабных флуктуациях концентрации и давления и его вклад в дублет Мандельштама-Вриллюэна.....................................................314

4.7 Корреляционные функции простых жидкостей с учетом структурной релаксации...............................................319

Заключение...................................................326

Литература....................................................333

Введение.

Актуальность проблемы. Взаимодействие монохроматического излучения с конденсированными средами сопровождается различными физическими явлениями, особенности которых определяются индивидуальными свойствами и состоянием исследуемого вещества, а также мощностью и пространственно-временными характеристиками падающего излучения. Появление лазеров - источников когерентного излучения - стало поистине стимулирующим фактором в развитии понимания ранее известных явлений и позволило открыть целый ряд принципиально новых (например, оптотермодинамических, опто-акустических, термохимических и т.п.) эффектов; в связи с этим существенно расширился круг физических задач, нуждающихся в адекватном теоретическом описании и надежном экспериментальном исследовании[1]-[7]. Вместе с тем, прогресс в понимании физико-химических процессов при взаимодействии лазерного излучения с веществом последовательно внедрялся при обработке различных материалов, в том числе полимеров и композитов и позволил решить ряд сложнейших технических и технологических задач ( микроэлектроники, интегральной оптики и т.д.).

Прохождение излучения через исследуемую среду сопровождается отражением, поглощением и рассеянием света. Спектральное распределение и интегральное значение параметров, описывающих указанные явления, содержит в себе весьма ценную информацию о кинетических, релаксационных, внутри- и межмолекулярных процессах, проходящих в среде, а также об их равновесных макроскопических свойствах.

Благодаря поглощению падающего излучения частицами среды и последующей релаксации внутренних степеней свободы молекул в поступательные (безызлучательные переходы) происходит нагрев сре-

ды. В химически активных средах в поле световой волны происходит химическое превращение вещества, что в свою очередь приводит к различным видам обратной связи между изменениями параметров падающего излучения и температуры среды и изменениями поглоща-тельной способности, нелинейно-оптическими явлениями и т.д. Таким образом, тепловые и "химические" степени свободы становятся взаимосвязанными друг с другом. По мере увеличения мощности луча постепенно становится существенной роль нелинейных эффектов и возможно изменение агрегатного состояния среды.

Нагрев поглощающих сред лазерным излучением приводит к тепловому расширению области вещества, охваченной световым полем. Если амплитуда падающей волны является смодулированной по времени, то тепловое расширение этой области также становится периодическим и оно превращается в своеобразный источник звука (тепловой механизм). Случай, когда детектирование возбужденного этим способом звука в твердых телах или жидкостях производится через газовую среду, принято называть фотоакустическим эффектом, а регистрируемую акустическую волну - фотоакустическим сигналом.

Различным аспектам лазерного возбуждения звука в жидкостях и изотропных твердых телах посвящено немалое количество экспериментальных и теоретических работ, основное содержание которых адекватно изложено в обзорах [8, 9] и монографиях [4, 5]. Следует констатировать, что результаты экспериментальных работ по изучению характеристик генерируемых звуковых сигналов в этих средах вполне соответствуют предсказаниям созданных модельных линейных теорий. Вместе с тем, отсутствуют работы по лазерному возбуждению акустических волн в сверхтекучем жидком гелии и его растворе с изотопом Не-3. Если учесть, что в этих средах в силу их физической природы при определенных геометрических условий возможно рас-

пространепие различных видов звуковых волн - колебания давления и энтропии [10] , то необходимость создания теории, которая позволила бы обосновать возможность лазерной генерации таких волн в указанных системах становится очевидной.

В литературе также весьма обширно теоретически рассмотрены особенности температурного поля в жидкостях и твердых телах. Однако, как правило, соответствующие выражения для температурного поля записаны для неограниченной среды, что не соответствует реальной геометрии эксперимента и поэтому для корректного учета перегрева исследуемых сред является неприемлемым. Этот вопрос становится особенно актуальным при изучении свойств среды в окрестностях точек фазовых переходов методом рассеяния света. Также до последнего времени отсутствовали теоретические работы, позволяющие определить влияние анизотропии коэффициента теплопроводности на особенности температурного поля анизотропных сред в оптических экспериментах. Решение этой задачи наиболее целесообразно провести для наиболее простых случаев - одноосных кристаллов. Определение влияния анизотропии коэффициента теплопроводности кристаллов на амплитуду и фазу фотоакустического сигнала также представляется очень важным.

Результаты многочисленных теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию особенностей термохимического действия лазерного излучения, подробно изложены, например, в [1, 3, 6, 7]. Целью подобных работ является выявление механизмов обратной связи между "химическими" и тепловыми степенями свободы, нелинейных процессов, а также изучение явлений самоорганизации, возникающей в поле световой волны и, в конечном счете, обнаружению возможности управления термохимическими процессами посредством изменения параметров лазерного излучения.

При облучении прозрачных материалов, в том числе полимеров, существенную роль в процессе лазерного разрушения играет наличие примесных (затравочных) непрозрачных микровключений, нагрев которых инициирует разрушение (дегидратацию) самой матрицы и обеспечивает возрастание концентрации поглощающих компонентов

[11], после которого происходит резкое увеличение температуры и лавинообразное ускорение химической реакции деструкции полимера - это явление називается термохимической неустойчивостью (ТХН). В ряде экспериментальных работ при лазерном нагреве прозрачных полимерных пленок было обнаружено, что возникновение ТХН сопровождается образованием автоволновых структур. Выло зарегистрировано два типа разделенных по времени пространственных эффектов, первый из которых является беспороговымм, а второй носит пороговый характер по интенсивности. Однако к настоящему времени отсутствует последовательная теория, адекватно описывающая особенности образования и зависимость амплитуды и скорости распространения этих структур от интенсивности падающего излучения и ее пространственного распределения. Также не исследована динамика термодеструкции полимерных пленок в поле лазерного излучения.

Явление молекулярного рассеяния света (РС) благодаря появлению спектральных приборов высокой чувствительности и разрешающей способности стало одним из надежных методов изучения равновесных и кинетических свойств конденсированных сред, включая области фазовых переходов и окрестности критических точек (КТ)

[12]—[14]. Очевидно, что по мере приближения состояния системы к критическому существенно возрастут флуктуации параметра порядка и это приводит к аномальному росту интенсивности рассеянного света - критической опалесценции. Однако при этом аномально возрастает не только интенсивность однократного рассеяния, но также

и интенсивности рассеяния высших кратностей, вклад которых вдали от КТ, был пренебрежимо мал. В связи с этим получение достоверной информации обработкой экспериментального материала в приближении однократного рассеяния становится принципиально невозможным. Тогда, очевидно, возникает необходимость детального теоретического изучения особенностей рассеяния высших кратностей, и, в первую очередь, двукратного. Решение последней задачи необходимо провести только в реальной геометрии эксперимента. Подробный обзор существующих экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению особенностей двукратного рассеяния света вблизи КТ расслаиванию растворов и парообразованию чистых жидкостей проведен в[15]-[17]. Следует отметить, что первые работы, посвященные теоретическому описанию интегральных и спектральных интенсивностей двукратного рассеяния, проводились без учета реальной геометрии эксперимента и поэтому проведение сравнения результатов эксперимента с расчетами выявляло большие расхождения. В связи с этим в работах[18, 19] были получены соответствующие выражения для компонент интегральной интенсивности двукратного рассеяния на флуктуациях концентрации с учетом реальной геометрии эксперимента. Эти работы проводились параллельно с экспериментом, и сравнение результатов теории с опытом показало их хорошее совпадение. По существу, этими работами задача учета двукратного рассеяния при обработке экспериментальных данных по интегральной интенсивности в рамках рассмотренного приближения была решена. Тем временем появились экспериментальные работы, посвященные изучению параметров контуров спектра рассеянного света вблизи критических точек. Результаты этих работ, как правило, не совпадали друг с другом, а порой противоречили друг другу. Также появились работы[20, 21] , посвященные экспериментальному

изучению спектра двукратного рассеяния в окрестности критической точки расслаивания, но сравнение этих результатов с теорией обнаружило существенное (на несколько порядков) расхождение. Эти факты однозначно показывали настоятельную необходимость теоретического рассмотрения спектра двукратного рассеяния в окрестности КТ и выделение его вклада в экспериментально наблюдаемый спектр рассеянного света. Следует подчеркнуть, что при приближении чистых жидкостей к критической точке парообразования из-за наличия гравитационного эффекта система становится пространственно неоднородной. Тогда контуры светорассеяния являются, как правило, усредненными по слою, из которого в регистрирующее устройство попадает однократное или многократное рассеяние. Этот факт осложняет построение строгого решения задачи с учетом влияния гравитационного поля на спектральные характеристики.

Таким образом, теоретическое рассмотрение круга задач, изложенных выше и связанных с тепловыми и флуктуационными взаимодействиями лазерного излучения с конденсированными средами в различных состояниях, представляется весьма актуальным.

Целью диссертационной работы является теоретическое исследование особенностей теплового взаимодействия лазерного излучения с конденсированными средами и спектров двукратного рассеяния света на флуктуациях гидродинамических величин в окрестности критических точек жидкостей и растворов; при этом поставлены следующие задачи:

1) получение волновых уравнений для акустических полей первого, второго и четвертого звуков в сверхтекучем гелии при их генерации смодулированным по амплитуде лазерным излучением; получение соответствующих выражений для акустических полей