Разработка новых методов фотоакустической спектроскопии конденсированных сред (1097867)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

УДК 534.8; 621.3.082.4На правах рукописиМАДВАЛИЕВ УМАРХОНРазработка новых методовфотоакустической спектроскопииконденсированных средСпециальности:01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики,01.04.06 – акустикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква – 2007Работа выполнена в Физико-техническом институте им. С.У. УмароваАкадемии наук Республики ТаджикистанНаучные консультанты:доктор физико-математических наук, профессор В.В.

Прокловдоктор физико-математических наук, профессор Т.Х. СалиховОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессор А.И. Коробовдоктор физико-математических наук, профессор С.В. Егеревдоктор физико-математических наук, профессор Л.А. ЧернозатонскийВедущая организация: ГЕОХИ им. В.И. Вернадского РАНЗащита состоится 19 апреля 2007 г. в 16-00 часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.66 при Московском государственномуниверситете им.

М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, ГСП-2,Ленинские горы, д. 1, стр. 2, физический факультет МГУ, ауд. 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ.Автореферат разослан « ___ » ________ 2007 г.Учёный секретарьдиссертационного советаА.П.

Ершов2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫОбщая характеристика научного направления и его актуальность.Оптоакустический или оптико-акустический (ОА) эффект, т.е. явлениевозникновения акустических волн вследствие поглощения падающего наисследуемый образец модулированного оптического излучения, был открытв конце 19-го века Александром Беллом.

Затем это явление изучалось вработах Тиндаля, Рентгена и Вейнгерова. Однако только появление в началешестидесятых годов 20-го века лазеров дало по-настоящему мощный толчокдля исследования данного эффекта. Чуть позже появился и альтернативныйтермин фотоакустика (ФА), ставший общепринятым в современной научнойлитературе. Получив свое возрождение на качественно новом уровне споявлением когерентных источников света, фотоакустика превратилась водин из наиболее быстроразвивающихся методов лазерной спектроскопии.

Заболее чем 40-летний современный период ее развития были выявлены иизучены основные механизмы генерации ОА сигналов в конденсированныхсредах и разработан целый ряд экспериментальных способов регистрации иколичественных измерений амплитудно-фазовых и частотных характеристикизучаемых сигналов.Первоначальноспектроскопииисследованияограничивалисьвобластиизучениемслучаяфотоакустическойлинейногорежимавозбуждения, при котором амплитуда ФА сигналов относительно мала, а ихчастота совпадает с частотой модуляции оптического излучения.

Несмотряна обилие публикаций, относящихся к этому режиму, многие важныевопросы линейной фотоакустики оставались до недавнего времени неяснымиили недостаточно исследованными. Среди них можно отдельно отметитьследующие: экспериментальное изучение формирования фотоакустическогосигнала в твердых телах и жидкостях, учет влияния теплового расширения итеплового насыщения на величину ФА сигнала и форму фотоакустическихспектров,исследованиемеханизмовобразованияФАсигналавпорошкообразных средах с учетом сильного рассеяния света и сложного3механизма тепловой диффузии, определение абсолютных характеристиктеплофизических и оптических характеристик веществ по измерениювеличинФАтрадиционнымисигнала,методамисравнениеметодовспектроскопии.ФАИменноспектроскопииэтотпробелсвсуществующих знаниях и восполняется исследованиями автора настоящейдиссертационной работы.Другой важный аспект фотоакустических явлений состоит в том, чтопри трансформации большого количества световой энергии в тепловуюпроисходит существенное повышение температуры освещаемой областисреды.

Из-за пространственного распределения света в оптическом лучевозникает новое - пространственно неоднородное, термодинамическоесостояние среды. В результате теплофизические и оптические параметрысреды становятся зависящими от температуры, и возникает своеобразная«тепловая нелинейность». Очевидно, что такая тепловая нелинейность будетвлиять на процесс формирования ОА сигнала. Это влияние можетпроявляться двояким образом. Во-первых, оно может быть искажающимфактором. Тогда обработка результатов экспериментов, основанная насуществующих «линейных» представлениях, становится проблематичной.Во-вторых, из-за тепловой нелинейности могут генерироваться высшиегармоники ОА сигнала, экспериментальное изучение которых может служитьдополнительным независимым источником информации.

Такие нелинейныефотоакустические явления легко наблюдаемы в эксперименте и они являютсявторой важной составляющей предмета изучения в настоящей работе.Актуальность обсуждаемого научного направления связана, с однойстороны, с его широкими и перспективными приложениями в технике и вэкспериментальной физике при разработке приборов и устройств дляисследования оптических характеристик веществ, для ФА микроскопииоптических и тепловых неоднородностей, а также для послойного анализаэтих неоднородностей по глубине.

Дело в том, что методы ФАспектроскопии являются бесконтактным и надежным способом измерения4теплофизических и оптических параметров в широком диапазоне ихизменения, пригодным для самых разнообразных материалов. Поэтомуфотоакустикаоказываетсянезаменимойприисследованииконденсированных сред в различных формах их фазового состояния. Здесьуместно отметить и общую тенденцию усиления материаловедческойнаправленности,наблюдаемуювпоследниегодывфизическихисследованиях. С другой стороны, возбуждение ФА сигналов представляетсобой комплексный процесс взаимодействия физических полей различнойприроды – акустического, оптического и теплового, который можетпроисходить в разнообразных конденсированных средах, что делает этоткруг явлений весьма обширной и интересной областью для разнообразныхфизическихисследований.Отмеченныефакторыпоказывают,чтофотоакустика является актуальным направлением современной физики,важнымкакдляпрактическихприложений,такидляразвитияфундаментальных научных знаний.Основная цель работы заключается в разработке новых методов и созданииусовершенствованных фотоакустических экспериментальных установок дляисследованияоптическихитеплофизическиххарактеристикконденсированных сред, в демонстрации их возможностей при изучениисвойств материалов в различном агрегатном состоянии и в проведениикомплексаэкспериментальныхзакономерностейформированияконденсированныхсредахситеоретическихфотоакустическогоразличнойтемпературнойисследованийсигналавзависимостьютеплофизических и оптических параметров.Основными задачами работы являются:1.

Исследование особенностей формирования ФА сигнала в таких«неудобных» для традиционной спектрофотометрии объектах, как растворывысокой концентрации и порошки с различным размером частиц. Выявление5зависимости параметров ФА сигнала от теплофизических, оптическихсвойствобразцовЭкспериментальноеиподложки,определениеатакжегеометрииабсолютнойвеличиныФАячейки.коэффициентаоптического поглощения для растворов высокой концентрации, а такжеизучение возможности обнаружения малого количества сильнопоглощающейкомпоненты в двухкомпонентных смесях.

Разработка методики повышениячувствительности и разрешающей способности ФА метода с применением вкачестве источников оптического излучения перестраиваемых лазеров.2. Разработка и создание сканирующего ФА микроскопа с использованиемгазомикрофонной схемы регистрации сигнала, изучение возможностиобнаружениясегопомощьюповерхностныхиподповерхностныхнеоднородностей.3.

Исследование механизма формирования ФА сигнала в порошковых средахс учетом сильного рассеяния света и сложного механизма тепловойдиффузии. Применение ФА метода для химического анализа сорбентов,включающего исследование концентрационной зависимости ФА сигнала всорбентах, адсорбированных на кремнеземе.4.ЭкспериментальноегазомикрофоннойнелинейностинаобнаружениерегистрациипараметрыиисследованиеособенностейФАвлияниясигнала,методомтепловойгенерируемоговсильнопоглощающих и низкотеплопроводящих системах.5.

Создание теории, описывающей влияние температурной зависимоститеплофизических и оптических параметров среды на процесс формированияФА сигнала и его зависимость от интенсивности и частоты модуляциипадающего луча, а также теории возбуждения второй гармоники ФА сигналав сильнопоглощающих и низкотеплопроводящих средах.Научная новизна работы1. Методом ФА спектроскопии исследованы спектры поглощения света дляодного и того же вещества в различных его агрегатных состояниях (твердое6тело, порошок и жидкий раствор) и проведено их сравнение со спектрами,полученными методами спектрофотометрии. Такие исследования проведенынапримереперманганатакалия,рядаполупроводниковисолейредкоземельных элементов.

Предложен метод определения абсолютнойвеличины коэффициента оптического поглощения различных раствороввысокой концентрации.2. Впервые обнаружен эффект “инверсии” ФА спектров. Исследованиеэффекта инверсии доказывает, что ФА спектр не всегда соответствует(тождественен) спектру оптического поглощения в исследуемом веществе.Дано объяснение этому факту.3. В режиме «теплового насыщения» экспериментально изучено влияниетеплофизических свойств исследуемого образца и подложки, а такжехарактера теплового контакта образца с подложкой на величину ФА сигнала.4. Впервые экспериментально показана возможность исследования ФАспектров методом диффузного отражения слабопоглощающих дисперсныхсред (порошков), полностью заполняющих ФА ячейку.

Установлено, что дляобразцов подобного рода основной вклад в формирование ФА сигналавносит периодическое тепловое расширение внутреннего газа.5. Разработаны и реализованы фотоакустическая ячейка для одновременногоизмерения спектров поглощения и рассеяния и ячейка для измерениясветовых потерь в волоконных световодах.6. Методом газомикрофонной регистрации исследовано влияние тепловойнелинейности на зависимость амплитуды ФА сигнала от интенсивностипадающего луча, а также предложен механизм её проявления в эксперименте.Представлена эмпирическая зависимость, описывающая нелинейность,обусловленную тепловыми параметрами среды.7. Получено решение стационарной задачи пространственного распределениятемпературы в трёхслойной одномерной модели ФА ячейки с учетомтепловой нелинейности.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации