Svet_i_zvuk_vzaimodeystvie_v_srede (1239103), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Д. Начинается процесс вынужденного рассеяния; в про-. странстве возрастают интенсивности как гиперзвуковых волн, так и стоксовой Компоненты рассеянного излучения. Вынужденное рассеяние Мандельштама+Бриллюэна является одним из факторов, определяющих характер распространения мощного лазерного излучения в конденсированноЙ среде; Основная часть нашего рассказа была посвящена воздействию звуковой волны на распространение света, в среде. Лишь говоря о вынужденном рассеянии Мандельштама — Бриллюэна, мы встретились с первым опто- акустическим эффектом — Генеряцией ультрязВукя за счет электрострикции при распростраиеиии в среде двух световых волн с близкими частотами. Однако исследования последних лет связаны также с друГим Оптояку» стическим эффектом — Генерацией звуковых ВОлн за счет светотермоупругого эффекта.
В чем же заключается сВетотермоупруГий эффект? Суть его состоит в том, что под действием периодиче. ски прерыВяемого световоГО излучения испытуемые тела начинают 'звучать. В основе этого лежит периодический Нагрев Тела и окружающей среды зя счет поглощения . падающего на него света. При поглощении света происходит периодический разогрев приповерхностной Области ня Границе двух сред. Вследствие периодически повторяющихся тепловых расширений эта область начиняет ГенерироВать звуковые ВОлны. Здесь ВОзмОжны ДВЯ СЛУЧЯЯ. В первом излучателем служит участок свободной поверхности жидкости.
В жидкости, периодически облучаемой лазерным пучком, излучается акустический сигнал. Во втором случае световой луч нагревает излучатель, находящийся в замкнутом объеме акустического резонатора, заполненного газом. Тепло с поверхности нагреваемого тела передается пригранично. му слою газа. Возникающее в результате теплообмена переменное давление производит на основной объем гя. ~Р Д7 Рис. 12. Схема фотоакустической ячейки за действие, аналогичное действию поршня, Результя. том этого являетая Возбуждение звуковых .колебаний реЗОИ а тор ае Светотермоупругий эффект, как мы уже упомина ли, был открыт сто лет назад.
Было показано, что по. глощение в замкнутом объеме модулированного свето. вого луча приводит и возникновению слышимого звука, Это явление былО Воспринято В то Время как экзотиче~ ский эффект, не представляющий практического инте4 реса. ВКОВь Он привлек внимание исследОВятелей уже в наше время. Работы Ведутся в основном в двух на. правлениях: изучение генерации звука в жидкостяя при поглощении ими лазерного излучения и разработка нового направления спектроскопии — фотоакустической спектроскопии, на КотороЙ ЗИМСЯ, Метод фотоакустической спектроскопии основан на измерении коэффициента поглощения света по интин сивности звуковых колебаний, возбуждаемых модули. рованным сВетом В специальнОЙ фотоякустическОЙ ячей~ ке.
Ячейка представляет собой акустический резонатор ~рис. 12) с кварцевым окном и теплопроводящим дном, на которое помещается исследуемый образец. Для регистрации звука используется чувствительный микрофон. НепосредстВенно измеряемоЙ величиной В фотоаку стическом спектрометре является амплитуда звуковых колебаний, возникающих в ячейке. Эта амплитуда про- порциональна величинВ йоглощаемой в образце свето- вой эне гии, Изменяя длину световой волны, можно Снять отоакустический спектр вещества — аналог Спектра Поглощения, Пблучаемого традиционными меЙОда ми, Фотоакустический сигнал возникает в результате ,тепловых и акустических процессов и зависит как от тепловых, так и от,оптических параметров исследуемого Вещества.
Амплитуда акустических колебаний ячейки ПрОпорциональна амплитуДе колебаний температуры Образца, а следовательно, количеству поглощенного В Образце света. Поглощение в образце характеризуется глубиной Рроникновения 1,„, падающего излучения — толщиной слОИ Вешества, при прохождении котороГО пОГлошается основная часть энергии падающего света.
Зависимость коэффициента поглощения Р, или, что то же самое, глу- бины проникновения ~,„„от длины волны К, падающего света и определяет спектр поглощения материала, нз которого изготовлен образец. Выделяющееся В резуль ате по лощения тепло бу- Ает перемеЩатьсй по Образцу за счет проЦессов тепло- проводнОсти. Из-за периодичности наГрева этот процесс будет волнообразным.
Однако тепловая волна будет ватухать на расстоянии порядка длины ее волны. Ха- рактерным масштабом процесса диффузии тепла будет расстояние ~„на которое тепло успевает распростра- ниться за период между двумя световыми импульсами. это расстояние, называемое длинОЙ термодиффузии, растет с повышением теплопроводности материала ~~ и уменьшается с ростом частоты модуляции Р: 4 ~ХИ. Очевидно, что в прилегающий к образцу газ будет по- ступать тепло только из пограничного слоя образца тол- щиной ~т.
Лишь В том случае, коГДа толщина ОбразЦа будет меньше длины термоднффузии, в нагреве газа ' будет участвовать весь образец. Величина фотоакустического сигнала, ее зависи- мость от длины Волны падающего света и частоты мо- дуляции определяются соотношениями между толщи- ной образца, глубиной проникновения и длиной термодиффузии. В случае сильного поглощения В образце падающее излучение будет полностью поглощаться в тонком при- поверхностном слое толщиной 1,. Если длина термодиффузии 1, значительно больше глубины проникновения 1, „то практически вся энергия. падающего света будет переходить в приграничный газовый слой.
3то Означает, что при постояннОЙ интенсивности падающего света амплитуда звуковых колебаниЙ В резонаторе не будет зависеть от величины коэффициента поглощения и в этом случае не удается получить фотоакустический спектр образца. Однако повышая частоту модуляции, мы можем сделать Длину термодиффузин меньше глубины пронЦкнйвения света в образец. В этом случае нагрев газа будет происходить за счет теплообмена с 'тОнким приповерхностным слоем вещества толщиной 1,<1,„,. Выделяющееся в нем тепло пропорционально коэффициенту поглощения Р.
Следовательно, амплитуда А звуковых колебаний, вызванных модулированным светом, также будет пропорциональна Р. Измеряя ее, мы можем определить значения коэффициента поглощения Р, Отвечающие различным длинам Волн падающего света. В случае прозрачного образца его толщина значительно меньше глубины проникновения света, и в образ- це будет выделяться энергия, пропорциональная коэф' фициенту поглОщения -Р. В заВисимости От соотношения между тОлщинОЙ образца 1 и длинОЙ термодиффузии с газом будет обмениваться теплом либо весь образец (1<1,), либо только приграничный слой толщиной 1, (1Ф1~). Однако в обоих случаях амплитуда А возникающих акустических колебаний будет пропорциональна Р и Оказывается Возможным получать фотоакустический спектр поглощения.
Таким образом, для различных образцов как с сильным поглощением, так и прозрачных можно подобрать соответствующие режимы для измерения поглощения . сВета фотоакустическим методом. Здесь следует Отметить еще одну особенность метода, обеспечиваю~цую возможность получения послойных спектральных характеристик образца с разных глубин. При использовании высокочастотной модуляции (Й ~ 500 с — ') фотоакустический сигнал образуется, как мы уже видели, за счет теплообмена газа с тонким приповерхностным слоем. Уменьшая частоту модуляции, мы увеличиваем толщи ну: этого слоя, получая' тем самым спектры поглощения для все большей толщины приповерхностного слоя об- разца. Вычитая получаемые таким образом спектры поглощения последовательно друг из друга, мы можем получать профилированн~ге по глубине образца спектральные характеристики.
поглощения. ' Важным дОстОинстВОм метода является то, что Он позволяет получать' .спектры всех веществ, в том числе и тех, изучение которых другими методами, в том числе спектрофотометрическими, Оказывается, затрудни тельным. Поскольку фотоакустическим методом измеряется только та ' часть падающего излучения, которая дейстВительно поглощается' вещеетвом,. а рассеянное излучение никакого вклада в измеряемую величину не дает, то этот метод позволяет получать спектры поглощения образцов с Плохим качеством поверхности: порошкообразных, рыхлых, пористых материалов, гелей, золей и т.
и. Важное значение имеет однотипность метода измерениЙ В широком спектральном диапазоне От инфракрасиой- области спектра до -'ультрафиолетовой. Возможность получения спектра поглощения одного и тогО же Образца В Широком спектре длин Волн позвО- ляет производить идентификацию веществ, определять присутствие их В слОжных соединениях, смесях, сВязанном состоянии. Во многих случаях применение фотоакустической спектроскопии позволяет отказаться от трудоемкой работы по экстракции,веществ и многочисленных химических анализов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
