Экспериментальная техника лазерной оптоакустики и методика измерений акустического отклика.

В настоящее время разработаны многочисленные экспериментальные методы исследования физических свойств твердых тел, использующих фотоакустический эффект. Как было показано выше принцип лазерной генерации упругих волн заключается в возбуждении пространственно неоднородных напряжений при поглощении лазерного излучения, которые распространяются из области поглощения света в виде волн. Достижения последнего времени в области физики и техники генерации нано-, пико- и фемтосекундных лазерных импульсов существенно расширили возможности лазерной оптоакустики. Возбуждение акустических волн, обусловленное воздействием на твердое тело сверхкоротких лазерных импульсов позволило экспериментально расширить спектральный диапазон оптоакустического преобразования до частот в сотни гигагерц. Первая экспериментальная работа, в которой были зарегистрированы акустические импульсы субнаносекундной длительности, возбуждаемые лазерными импульсами с длительностью 500 пикосекунд в тонкой стальной пластине, принадлежит А. Таму [12]. Было предложено использовать наблюдавшуюся последовательность эхо-сигналов, связанных с отражением акустического импульса от границ образца, для точного измерения толщины тонких пленок, скорости распространения и коэффициентов затухания гиперзвука в исследуемой среде. Для детектирования акустических импульсов использовался пленочный пьезопреобразователь из ZnO. Дальнейшее совершенствование этой экспериментальной установки позволило исследовать сложные слоистые структуры, в частности, свойства тонких покрытий напыляемых на подложку. В последующих экспериментах неоднократно подчеркивалась прикладная ценность оптоакустического метода с использованием сверхкоротких акустических импульсов, т. к. пространственное разрешение пропорционально длительности акустического импульса и определяется величиной tс (где с-скорость продольной звуковой волны).

В настоящее время продолжаются интенсивные как экспериментальные так и теоретические исследования по генерации сверхкоротких импульсов деформации, а также исследования поверхностей с использованием ПАВ. Теоретический анализ проблем направлен на выяснение оптимальных условий ОА преобразования и изучение физических процессов, определяющих длительность акустического отклика при сверхкоротком лазерном воздействии и преобразования акустического импульса неоднородностями на поверхности. Акустические методы исследования обладают многообещающими спектроскопическими возможностями. Поскольку пространственная протяженность акустического импульса длительностью 10 пс. составляет величину порядка @50 ангстрем, что всего лишь на порядок превышает характерный размер ячейки кристаллической решетки [5,6], то дальнейшее развитие физики сверхкоротких акустических импульсов представляет определенный интерес для акустической спектроскопии и диагностики.

В настоящее время актуальной проблемой является создание компактных лазерных систем, использующих оптоакустический эффект для экспресс-анализа физических параметров исследуемого объекта.

Совершенствование экспериментальной техники отражается и на методах регистрации широкополосного акустического сигнала в поглощающей среде. Кроме контактных методов регистрации с помощью пьезоэлектрических преобразователей, активно используются бесконтактные оптические методы детектирования объемных и поверхностных акустических волн [2,3,5]. Именно этот метод отрабатывается в данной работе. Схема данного эксперимента представлена на рисунке 3.

В основе оптических схем регистрации ПАВ лежит детектирование пробным лазерным лучом локальных искажений поверхности (смещение поверхности, наклон, кривизна, скорость смещения поверхности), индуцированных распространяющимися на поверхности акустическими волнами. Поверхностный рельеф, связанный с распространением волны, можно сравнительно просто обнаружить по изменению угла отражения пробного луча. Для измерения смещения поверхности и скорости смещения поверхности эффективными оказываются также и интерферометрические методы.

Наносекундная лазерная система для исследования поверхностных акустических волн .

В данной работе для возбуждения и исследования ПАВ использовалась импульсная лазерная система, основные компоненты которой изображены на рисунке 4. Источником лазерных импульсов (которыми возбуждалась поверхностная волна) длительностью 20 наносекунд является твердотельный лазер на стекле с неодимом. Энергия одиночного импульса на выходе в одномодовом режиме генерации @ 10 мДж. В оптической схеме возможно осуществлять генерацию второй гармоники в нелинейном кристалле KDP. Таким образом в данной установке импульсное излучение лазера с длиной волны l=1.06 мкм ( hn=1.17 эВ ) легко может быть преобразовано в излучение второй ( l=0.53 мкм, hn=2.34 эВ ) гармоники. Телескопический расширитель луча составленный из линз Л4, Л5 и диафрагмы Д3 используется для формирования лазерного пучка накачки с определенными геометрическими параметрами, которые, при необходимости, можно варьировать. Цилиндрическая линза Л6 фокусирует световой луч в прямолинейную полоску длиной примерно 5 мм и шириной <50 мкм, поэтому фронт ПАВ приближенно можно считать плоским. Фотоприемник ФП1 используется для синхронизации акустического импульса с лазерным. Для регистрации ПАВ используется He-Ne лазер с длиной волны 0,632 мкм. Линзы Л1, Л2 а так же диафрагмы Д1, Д2 используются для получения пучка с гауссовым профилем. Линза Л3 фокусирует пробный луч на образец. Система регистрации отраженного луча состоит из линз Л7, Л8, Л9, ножа Фуко и фотоприемника ФП2. Нож Фуко используется как интерференционный прибор, позволяющий преобразовать малейшие изменения фазовых соотношений в отраженном луче в амплитудные, которые могут быть зарегистрированы фотодиодом.