Введение
ГЛАВА I. Современное состояние исследований в области фото акустических и фототепловых методов изучения конденсированных сред 23
1.1. Краткий исторический обзор развития фотоакустических и фототепловых методов исследования конденсированных и газообразных сред 23
1.2. Современное состояние исследований в области развития и применения фотоакустических и фототепловых методов 26
1.2.1. Краткая характеристика состояние исследований в области фотоакустических и фототепловых методов спектроскопии 26
1.2.2. Состояние исследований в области фотоакустических и фототепловых методов микроскопии 27
1.2.3. Состояние исследований в области фотоакустики напряженных материалов 29
1.3. Фотоакустический эффект в твердых телах и методы его регистрации 32
1.3.1. Основные механизмы формирования фотоакустических колебаний в твердых телах...32
1.3.2. Фотоакустический метод с микрофонным способом регистрации сигнала 35
1.3.3. Фотоакустический метод с пьезоэлектрическим способом регистрации сигнала 37
1.4. Оптические методы регистрации фотоакустических и фототепловых процессов в
конденсированных средах 39
1.4.1. Фоторефрактивные методы 40
1.4.1.1. Метод тепловой линзы 40
1.4.1.2. Фотодефлекционный метод 41
1.4.1.3. Интерференционный метод 43
1.4.2. Фоторефлекционный метод 46
1.4.3. Радиометрический метод регистрации фототепловых процессов 48
1.5. Принципы образования сигналов в фотодефлекционном и интерферометрическом методах при регистрации фототермических процессов 51
1.5.1. Регистрация фотодефлекционных сигналов в приближении геометрической оптики...53
1.5.2. Регистрация термоволновых сигналов интерферометрическим методом 56
1.5.3. Лазерные фототермодеформационные методы 57
1.6. Методы расчета термоволновых и фотоакустических сигналов от неоднородных объектов 59
1.6.1. Методы расчета термоволновых сигналов от неоднородных объектов 60
1.6.2. Методы расчета фотоакустических колебаний в неоднородных объектах 61
Выводы к главе 1 63
ГЛАВА 2. Волновые эффекты при фотодефлекционной регистрации температурных волн 65
2.1. Теоретическая модель образования фотодефлекционных сигналов в рамках волновой оптики 65
2.1.1. Общая методика расчета фотодефлекционного сигнала с учетом эффектов волновой оптики 69
2.1.2. Фотодефлекционный сигнал от однородного образца 73
2.2. Количественный анализ влияния волновых эффектов на поведение фотодефлекционных сигналов 79
2.2.1. Анализ влияния волновых эффектов на поведение фотодефлекционных сигналов в зависимости от частоты модуляции возбуждающего излучения 80
2.2.2. Анализ влияния теплофизических параметров образца и размеров пучка возбуждающего излучения на степень проявления волновых эффектов при фотодефлекционных измерениях 84
2.3. Экспериментальная апробация методики расчета фотодефлекционных сигналов в рамках волновой оптики 86
2.4. Определение теплофизических характеристик и параметров трещин в керамиках лазерным фотодефлекционным методом 93
2.4.1. Теоретический анализ процесса формирования фотодефлекционного сигнала в керамиках с подповерхностными трещинами 94
2.4.2. Результаты экспериментального изучения процесса формирования фотодефлекционного сигнала в керамиках с подповерхностными трещинами 101
2.5. Модель образования фоторефлекционного сигнала в рамках волновой оптики при термоволновых экспериментах с твердотельными объектами 105
2.5.1. Анализ распределения поля в пучке зондирующего лазера после отражения от поверхности твердотельного объекта при фоторефлекционных экспериментах 106
2.5.2. Расчет фоторефлекционного сигнала от твердотельных объектов в рамках волновой оптики 113
Выводы к главе 2 119
ГЛАВА 3. Интерферометрические методы в лазерных термоволновых измерениях 121
3.1. Интерферометрические методы локальной регистрации температурных волн 121
3.2. Расчет интерферометрических сигналов при локальной регистрации температурных волн 123
3.2.1. Расчет интерферометрических сигналов от тепловой линзы при перпендикулярной геометрии расположения зондирующего и возбуждающего лазерных пучков 125
3.2.2. Расчет интерферометрических сигналов от тепловой линзы при параллельной геометрии расположения зондирующего и возбуждающего лазерных пучков 126
3.3. Сравнительный анализ интерферометрического и фотодефлекционного методов регистрации термоволновых процессов 127
3.3.1. Сравнение интегральных чувствительностей интерферометрического и фотодефлекционного методов с перпендикулярной ориентацией считывающего и возбуждающего лазерных пучков 128
3.3.2. Сравнение интегральных чувствительностей интерферометрического и фотодефлекционного методов с параллельной ориентацией считывающего и возбуждающего лазерных пучков 135
3.4. Шумы и пороговые чувствительности интерферометрического и фотодефлекционного методов 139
3.4.1 Шумы и пороговые чувствительности фотодефлекционного метода 140
3.4.2. Сравнительный анализ шумов и пороговых чувствительностей интерферометрического и фотодефлекционного методов 142
3.5. Реализация интерферометрического способа регистрации термоволновых процессов на базе оптической системы с двумя дифракционными решетками 148
3.5.1. Расчет термоволнового сигнала для интерферометра с двумя дифракционными решетками 150
3.5.2. Анализ основных характеристик интерферометра с двумя дифракционными решетками при регистрации термоволновых сигналов 154
3.6. Сравнительный анализ особенностей формирования термоволновых изображений интерферометрическим и фотодефлекционным методами на примере полученных экспериментальных результатов 157
Выводы к главе 3 161
ГЛАВА 4. Исследование процессов генерации, распространения и рассеяния температурных и акустических волн в неоднородных твердотельных объектах 163
4.1. Формулировка общего теоретического подхода к решению задач лазерной термоволновой и фотоакустической микроскопии 163
4.2. Расчет термоволновых процессов в неоднородных твердотельных объектах в рамках теории возмущений 164
4.2.1. Общая постановка термоволновой задачи для неоднородных твердотельных объектов в рамках теории возмущений 166
4.2.2. Решение термоволновой задачи для неоднородных объектов методом преобразования Фурье 168
4.3. Передаточные функции систем фотоакустической микроскопии с газомикрофонным способом регистрации сигнала 170
4.3.1. Расчет сигнала систем фотоакустической микроскопии с газомикрофонным способом регистрации от неоднородностей с заданной пространственной частотой 171
4.3.2. Характеристики систем фотоакустической микроскопии при использовании режима работы с пространственной модуляцией возбуждающего излучения 176
4.4. Передаточные функции систем термоволновой микроскопии, формирующих изображения фотодефлекционным и интерферометрическим методами 178
4.4.1. Расчет сигнала систем фотодефлекционной микроскопии для неоднородностей с заданной пространственной частотой 178
4.4.2. Анализ характеристик систем фотодефлекционнной микроскопии в зависимости от пространственной частоты неоднородности 181
4.5. Примеры использования фотодефлекционной микроскопии для диагностики полупроводников, облученных быстрыми протонами или ионами 186
4.6. Особенности формирования фотоакустических сигналов с пьезоэлектрическим способом регистрации от неоднородных объектов 189
4.6.1. Общая постановка и основные приближения при решении задач фотоакустической микроскопии с пьезоэлектрической регистрацией сигнала 191
4.6.2. Оценка степени влияния упругих и термоупругих неоднородностей на сигналы фотоакустической микроскопии 193
4.6.3. Формирование фотоакустического сигнала в неоднородных объектах с фиксированной внешней границей 196
4.6.4. Формирование фотоакустического сигнала в образцах со свободной внешней границей 203
Выводы к главе 4 213
ГЛАВА 5. Фото акустический эффект в напряженных материалах. Теория и эксперимент 215
5.1. Формулировка общих подходов к экспериментальному и теоретическому исследованию фотоакустического эффекта в напряженных материалах 215
5.2. Многофункциональная установка для фотоакустической и термоволновой микроскопии твердотельных объектов с внутренними напряжениями 217
5.3. Примеры фото акустических и термоволновых изображений керамик, индентированных по Виккерсу 220
5.4. Влияние нагрузки индентирования и отжига на поведение фотоакустического и термоволновых сигналов от мест индентации в керамиках 225
5.4.1. Зависимость величины фотоакустических колебаний от нагрузки индентирования 226
5.4.2. Влияние отжига на поведение фотоакустического и термоволновых сигналов от мест индентации в керамиках: 227
5.5. Теоретическая модель фотоакустического эффекта в напряженных материалах 232
5.5.1. Теоретическая модель для расчета акустических колебаний в напряженных материалах, обусловленных нелинейными упругими процессами 233
5.5.2. Теоретическая модель для расчета акустических колебаний в напряженных материалах при термоупругом механизме генерации 236
5.5.3. Граничные условия для определения фотоакустических колебаний в напряженных телах при решении задачи в рамках нелинейной акустики 239
5.6. Уравнение теплопроводности для твердотельных объектов с внутренними напряжениями 240
5.7. Линеаризация уравнения движения для твердотельных объектов с внутренними напряжениями 243
5.7.1. Линеаризованное уравнение движения и его решение для однородно деформированных твердотельных объектов 245
5.7.2. Расчет фотоакустического пьезоэлектрического сигнала для однородно деформированных твердотельных объектов 247
5.8. Поведение фотоакустических колебаний вблизи концов радиальных трещин в керамиках при отсутствии и воздействии внешних напряжений 251
5.8.1. Теоретическая модель формирования фотоакустических колебаний вблизи концов радиальных трещин в керамиках 251
5.8.2. Применение разработанной теоретической модели для анализа поведения фотоакустических колебаний вблизи концов вертикальных трещин 254
5.9. Результаты экспериментальных исследований фотоакустических колебаний вблизи концов вертикальных трещин и их сравнение с разработанной теоретической моделью 258
5.9.1. Поведение фотоакустических колебаний вблизи концов радиальных трещин в керамиках, ориентированных перпендикулярно или параллельно направлению действия внешнегонапряжения 259
5.9.2. Поведение фотоакустических колебаний вблизи концов радиальных трещин в керамиках, ориентированных произвольным образом относительно направления действия внешнего напряжения 263
5.9.3. Регистрация фотоакустическим методом эффекта налегания берегов трещин друг на друга 267
5.9.4. Влияние приповерхностных технологических напряжений на поведение фотоакустических колебаний 270
5.10. Фотоакустический эффект вблизи мест индентации в металлах 275
5.10.1. Фотоакустический эффект вблизи области индентации по Виккерсу в наноникеле..275
5.10.2. Фотоакустический эффект в зонах индентации по Виккерсу в металлах 279
Выводы к главе 5 286
Заключение 288
Литература 292
Основные публикации, по материалам которых написана диссертация 310
