Реферати українською » Физика » Взаємодія коротких акустичних імпульсів з неоднородностями лежить на поверхні твердого тіла


Реферат Взаємодія коротких акустичних імпульсів з неоднородностями лежить на поверхні твердого тіла

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Оглавление.


1.Введение. ................................................................................................................2


2.Обзор літератури. .................................................................................................5


3.Физические механізми порушення поверхневих акустичних хвиль в твердому тілі. .............................................................................................................6


4.Теоретическое опис акустичних хвиль лежить на поверхні твердого тіла. ....9


4.1 Хвилі Рэлея. ........................................................................................................9

4.2 Поширення ПАР на шорсткуватих поверхнях й у мелкомасштабных періодичних структурах. ............................................15


5.Экспериментальная техніка лазерної оптоакустики й методику виміру акустичного відгуку. .......................................................................................... 22


6.Наносекундная лазерна система на дослідження поверхневих акустичних хвиль. .................................................................................................26


7.Экспериментальные результати. ........................................................................28


8.Заключение. .........................................................................................................35


9.Список літератури. ............................................................................................37

ЗАПРОВАДЖЕННЯ.


Специфічним ефектом, обумовленою взаємодією лазерного випромінювання з речовиною, є порушення акустичних хвиль при імпульсному лазерному вплив. З погляду фізики взаємодії випромінювання з речовиною, акустичний відгук містить інформацію про перехідних процесах, які у області опромінення, за часи порядку тривалості лазерного імпульсу. Прикладна цінність оптоакустического (ОА) методу у тому, що оптично розпочаті акустичні імпульси можна використовувати як визначення параметрів поглинає середовища (наприклад, коефіцієнтів теплового розширення, теплопровідності, та інших.), а як і на дослідження неоднородностей в твердому тіло і з його поверхні. Перелічені можливості імпульсної лазерної оптоакустики дозволили активно використовувати його в дефектоскопії, мікроскопії і томографії зразків. Оптико-акустическая мікроскопія, як і будь-який інший мікроскопія, є спосіб отримання зображення неоднородностей поверхні з досить великою дозволом [3]. На відміну від традиційної мікроскопії на відбиток чи пропускання ОА-микроскопия дає змоги виявити приповерхневі дефекти в оптично непрозорих зразках. Слід зазначити, що часто-густо використовується оптична реєстрація акустичних імпульсів [2,4,6], що дозволяє: зробити метод безконтактним і дистанційним. У результаті проведених наукових досліджень області оптоакустики було знайдено розмаїття механізмів відповідальних за формування акустичного відгуку середовища при поглинанні лазерного випромінювання. Найважливішими механізмами генерації звукових хвиль є термоупругий механізм, электрострикция, радіаційне тиск, діелектричний пробою, випаровування речовини і абляция матеріалу мішені [1]. Крім названих за певних умов виявляються та інші механізми. Так для діелектриків істотним то, можливо порушення звуку механізмом деформаційного потенціалу, а пьезоактивных кристалів можливо ефективне порушення акустичних хвиль з допомогою зворотного пьезоэффекта. Співвідношення перелічених механізмів і ефективність оптоакустического перетворення залежить від параметрів лазерного випромінювання, а як і оптичних і теплових параметрів середовища.

Аналитическое опис процесу лазеро-индуцированной генерації акустичних хвиль в твердому тілі є досить складне завдання, що вимагає рішення системи неоднорідних диференційних рівнянь у приватних похідних. Навіть не враховуючи нелінійного взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною який завжди знаходить аналітичне рішення і, суворо описати акустичний відгук. Найпростіше процес лазерного генератора звуку описується в моделі ізотропного середовища в лінійному наближенні.

Останнім часом істотно зріс інтерес до застосування імпульсної лазерної оптоакустики у фізиці твердого тіла. До того ж широке використання пристроїв на поверхневих акустичних хвилях (ПАР) поставив завдання необхідність докладного аналізу процесів порушення, поширення і розсіювання ПАР неоднородностями і штучними дефектами лежить на поверхні твердого тіла.

У основі функціонування більшості пристроїв обробки сигналів на ПАР лежить взаємодія останніх з різноманітних управляючими неоднородностями як виступів, канавок, поверхневих електродів, обьемных включень, ребер клинів і хвилепровідних структур [8]. Деякі неоднорідності можуть мати і випадковий, типу шорсткостей і викривлень кордонів, вплив так ж треба враховувати в розрахунках низки пристроїв. Прилади на ПАР дозволяють формувати і дозволяють опрацьовувати радіосигнали широтою діапазону частот (10 МГц-6ГГц). З їхньою допомогою можна одержувати характеристики, недосяжні в пристроях інших фізичних принципах. Це пов'язано з фізичними властивостями поверхневих хвиль. Першим і найважливішим властивістю є надзвичайно низька їхнє поширення, складова 10-5 швидкості поширення електромагнітних хвиль. Це властивість акустичних хвиль зробила їх зручними від використання в лініях затримки великий тривалості. У результаті низькою швидкості поширення акустичні хвилі мають як і дуже малими довжинами хвиль проти електромагнітними хвилями тієї ж частоти. Це - зменшення довжини хвилі також порядку 10-5 і від використовуваного матеріалу. Тому устрою на акустичних хвилях мають значно менші розміри і ваги проти електромагнітними пристроями. З іншого боку устрою на ПАР розташовуються лежить на поверхні кристала, що зробила їх більш вже непохитними й надійними [10].

Природний розширення функціональних можливостей пристроїв на ПАР і підвищення вимог до характеристикам призводять до необхідності пошуку істини та відпрацювання різних методів дослідження поширення ПАР на неоднорідних поверхнях. Лазерное порушення і детекторування акустичних хвиль (АВ) дозволяє здійснити безконтактне вимір важливих параметрів середовища.

У цьому роботі було відпрацьовано методика експериментального дослідження лазеро-индуцированной ПАР безконтактним оптичним методом.


Огляд літератури.


Оптико-акустический ефект, відкритий А. Беллом ще 1880 року, аж до створення лазерів використовувався лише у ІК спектроскопії газів. Розвиток лазерної техніки намітило основні шляхів розвитку імпульсної оптоакустики: лазерне порушення акустичних видеоимпульсов в рідини i твердих тілах, напівпровідниках, лазерне порушення гиперзвуковых і рэлеевских хвиль. Вперше лазерна генерація ПАР було описано у роботі Р. М. Уайта і Р. Є. Лі [13]. Рэлеевская хвиля збуджувалася при поглинанні одиночного імпульсу лазера з модуляцією добротності в алюмінієвої плівці, напыленной на досліджувану поверхню. Як підкладки використовувалися різні матеріали - кераміка, кристалічний і плавленый кварц. Діяльність [14] як і порушувалися широкосмугові видеоимпульсы рэлеевских хвиль, у своїй провели одночасне вимір швидкості подовжньої, поперечної і рэлеевской хвиль. Отримані величини збігаються з измеренными іншими методами. Переваги цього методу можливості проведення вимірів із зразками малих ж розмірів та простих форм широтою діапазону температур і тисків, оперативність отримання даних. Реєстрація акустичних імпульсів здійснювалася контактним методом з допомогою пьезопреобразователей. У пізніх роботах дедалі більше використовується метод безконтактної оптичної реєстрації ПАР. Діяльність [4] були використаний метод оптичної реєстрації, визначено швидкості подовжньої і поперечної хвиль лежить на поверхні плавленого кварцу вкритого двошарової металевої плівкою (Cr і Au), відзначені можливості використання цього визначення пружних констант і товщини плівки. Поширення ПАР з більш складної структурі (плавленый кварц з напыленными з його поверхні золотими смужками) досліджувана у роботі [6].

Фізичні механізми порушення поверхневих акустичних хвиль в твердому тілі.


Поглиненна лазерного випромінювання в твердому тіло і наступна релаксація фотовозбуждения призводять до деформації кристалічною грати, що виявляється як пружних хвиль поширених в галузі фотовозбуждения. У цьому порушення акустичних хвиль серед можливо з допомогою різних механізмів. Їх можна розділити на два класу - лінійний і квадратичний за амплітудою електромагнітного поля. Лінійні полем механізми - п'єзоелектричний і пьезомагнитный - призводять до порушення звуку тієї ж частоти, як і электромагнитная хвиля. За цих механізмах відбувається фактично на квазистационарном полі. Тому, за вплив лазерного випромінювання на речовина порушення звуку відбувається поза рахунок квадратично-нелинейных полем ефектів: електро- і магнитострикции, теплового і деформаційного механізму [1,9]. І тут акустичні коливання порушуються не так на частоті світловий хвилі, але в частоті модуляції інтенсивності, що вже потрапляє у акустичний діапазон. Фактично электрострикция то, можливо істотна лише у прозорих середовищах і високих ультразвукових частотах. У сфері звукових і ультразвукових частот основним механізмом порушення звуку є теплової. Винятки від цього правила можливі у випадках, коли поглинута світлова енергія перетворюється на теплову не відразу або повністю. Тривала затримка між моментом поглинання світла, і моментом, коли поглинута енергія повністю перетворюється на теплове рух середовища, може реалізуватися якщо енергії оптичних квантів достатньо відриву валентных електронів від атомів. Це з тим, що народжена вільний електрон може тривалий час не повертатися в рівноважний стан. Відрив електронів призводить до зміни сил взаємодії між атомами. Що стосується твердих тіл це має спричинити зміну щільності речовини, не що з його нагріванням. Такий механізм оптичної генерації звуку називається деформационным. З використанням лазерів видимого і інфрачервоного діапазонів довжин хвиль даний механізм оптико-акустического ефекту може важливої ролі в напівпровідникових матеріалах. Числові оцінки [11] показують, що у таких напівпровідниках як Ge, Si, GaAs деформационный механізм значно ефективніше, ніж теплової. Однак загалом разі насичення зростання концентрації фотовозбужденных носіїв може спричинить суттєвого переважанню теплового механізму. Рівень оптико-акустического сигналу пропорційний перемінної частини світлового потоку. Оскільки лазери імпульсного дії дають змогу одержувати суттєво вищі інтенсивності світла, ніж лазери безперервного дії, для лазерної оптоакустики є типовим порушення широкого акустичного спектра- звукових видеоимпульсов. У остаточному підсумку розглянуті вище механізми призводять до генерації поздовжніх і поперечних хвиль. У подовжньої хвилі, чи хвилі сжатия-разряжения усунення частинок відбувається вздовж хвильового вектора. Поширення такий хвилі супроводжується зміною відстані між частинками середовища проживання і, як наслідок, локальним зміною щільності середовища. Існування поперечних хвиль в твердому тілі зумовлено деформацією зсуву, тобто. деформацією кристала без зміни обсягу. Слід зазначити, що з обмеженою середовища рівняння руху розглядати що з граничними умовами для механічних і електричних величин. Зокрема, для вільної поверхні граничну умова залежить від відсутності механічних напруг. Граничным передумовою вектора електричної індукції є безперервність його нормальних складових за відсутності поверхневих зарядів [7].

На поверхні твердого тіла можуть акустичні хвиль понад складної структури. Однією з цих поверхневих хвиль є хвиля Рэлея. У простому разі изотропного твердого тіла ця хвиля містить подовжню і поперечну компоненти, зсунуті за фазою на p/2 і які у площині, обумовленою хвильовим вектором і нормалью до. Отже, у випадку рэлеевская хвиля є еліптично поляризованої. Товщина шару речовини, приводимого в рух хвилею Рэлея становить величину порядку довжини хвилі l. Оскільки рэлеевские хвилі локалізовано поблизу поверхні, вони чутливі до поверховим дефектів кристала.

На поверхні полубесконечной пьезоэлектрической середовища можливо поширення поперечної поверхневою хвилі, поляризованої паралельно поверхні, і з глибиною проникнення тим меншою, чим сильніший п'єзоелектричні властивості середовища. Це правда звані акустоэлектрические хвилі чи хвилі Гуляева-Блюштейна. У порівняні з рэлеевскими хвилями, глибина проникнення хвилі Гуляева-Блюштейна всередину зразка значно більше і може перевищувати величину 100l. Для існування поверхневою акустоэлектрической хвилі окрім механічних і електричних граничних умов потрібно виконати умови певного розташування елементів симетрії кристала щодо саггитальной площині.


Теоретичне опис акустичних хвиль лежить на поверхні твердого тіла.

Хвилі Рэлея.

Як зазначалося раніше лежить на поверхні твердого тіла можуть існувати хвилі різних типів. Хвиля Рэлея на вільної поверхні складається з подовжньої хвилі сжатия-растяжения і поперечної хвилі зсуву. Другим важливим типом поверхневих акустичних хвиль є хвиля Гуляева-Блюштейна (ВГБ), яка настільки ж можна існувати на вільної поверхні твердого тіла, та на відміну від рэлеевской хвилі існування ВГБ можна тільки на певних зрізах й у певних напрямах п'єзоелектричних кристалів. У системі полупространство-слой суто механічне обурення кордону призводить до утворення сдвиговой хвилі Лява. Хвилі Лява знаходять деяке застосування практично в лабораторних дослідженнях. Теоретично ці хвилі часто використовують як найпростішої моделі поверхневих хвиль, оскільки розрахунки для хвиль Лява істотно простіше, ніж для хвиль Рэлея. Також треба сказати випадок, коли лежить на поверхні є нерівності. Приповерхностная жорсткість у такій системі менше завдяки наявності канавок, що зумовлює освіті сдвиговых поверхневих хвиль (СПВ). Швидкість хвилі в приповерхностной області зменшується, оскільки хвиля хіба що обегает виступи, проходячи у своїй більший шлях. У цьому роботі проводяться дослідження поширення рэлеевской хвилі поверхнею твердого тіла, має як випадкові неоднорідності (шорсткувата поверхню) і штучні дефекти які мають з себе наноразмерную періодичну структуру.









При описі хвиль Рэлея [7], поширених вздовж кордону изотропного пружного полупространства (рис.3), усунення зручно висловлювати через скалярний j і векторний потенціали:


(1)


причому таке уявлення можливо, за будь-який просторової структурі хвильових полів й відповідає поділу хвилі на хвилю стискування (j) і хвилю зсуву (). Рівняння для j і незалежні і записуються як:


, , (2)


деD-оператор Лапласа, і -швидкості подовжньої і поперечної акустичних хвиль відповідно. При поширенні хвилі вздовж осі x (мал.1) і векторі усунення, лежачому у площині xz, векторний потенціал має одну компоненту , відрізняється від нуля. У цьому усунення і даються формулами:


, . (3)


Використовуючи ці вислови й закон Гука для изотропного тіла, можна записати які від нуля компоненти тензора напруг:


,

,

, (4)

,


що й -постійні Ламе, причому ,

( -щільність пружного тіла).

Рішення рівнянь (2), описують поверхневу акустичну хвилю, мають вигляд:


, (5)

,


що й - частота і хвилеве число хвилі, і - амплітуди двох компонент хвилі, і -коефіцієнти, описують спадання хвиль стискування і зсуву вглиб поверхні.

З рівнянь руху (2) слід, що


, , > ,


де , - хвильові числа подовжньої і сдвиговой об'ємних хвиль.

На вільної кордоні полупространства z=0 їх необхідно виконувати умови відсутності напруг . З висловів (4) у своїй слід:


, (6)

.


Вислів в квадратних дужках перетвориться до виду , після чого система (6) записується як:


, (7)

.


З умови існування ненульових рішень цієї лінійної системи рівнянь виходить рівняння Рэлея


. (8)


Вводячи швидкість хвилі Рэлея , то зрозуміло, що ні залежить від частоти, тобто. хвилі Рэлея у "класичному пружному тілі

бездисперсны і ставлення визначається ставленням , тобто. залежить від коефіцієнта Пуассона .

Амплитуды потенціалів і лінійно пов'язані рівняннями (7), тому рішення (5) можна як:


, (9)

.


Значення зсувів і обчислюються по формулам (3); зокрема, для амплітуди усунення поверхні маємо:


, (10)


відповідно дається формулою:


. (11)


З положень цих формул видно, що усунення частинок середовища в хвилі Рэлея іде за рахунок еліпсам, причому на «гребенях» хвилі частки рухаються у бік, протилежному напрямку поширення хвилі.

Потік енергії в хвилі Рэлея для одиницю ширини акустичного пучка з допомогою формул (9) можна формулою:


, (12)


де потік енергії представлено Вт/см, частота в ГГц,

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Схожі реферати:

Нові надходження

Замовлення реферату

Реклама

Навігація