Статьи сотрудников лаборатории лазерной оптоакустики

В данной работе теоретически исследован линейный оптико-акустический эффект в неоднородной среде, состоящей из поглощающей сферической частицы в иммерсионной (непоглощающей) жидкости, при ее облучении импульсным лазерным излучением. Показано, что задача нахождения оптико-акустического отклика в неоднородной среде может быть разбита на три последовательных этапа: нахождение распределения светового потока в среде; нахождение распределения температурного поля, вызванного поглощением световой энергии, и решение акустической задачи термооптического возбуждения звука тепловыми источниками. Проанализированы случаи термически крупной (длина диффузии тепла за время лазерного воздействия много меньше размера частицы) и термически мелкой частиц. Получено, что в случае термически крупной частицы временной профиль давления акустического сигнала сильно зависит от соотношения коэффициента поглощения света частицей и ее радиуса, а также от длительности лазерного импульса. В случае термически мелкой частицы импульс давления будет следовать производной от временной огибающей интенсивности лазерного импульса.

Оптико-акустическим методом исследуется зависимость положения максимума интенсивности света в рассеивающей среде от сотношения коэффициента поглощения и коэффициента экстинкциии при различных коэффициентах рассеяния света. Измерения проводятся по временному профилю давления термооптически возбуждаемого акустического импульса, определяемого коэффициентом поглощения света и пространственным распределением интенсивности света в среде. Предложен метод измерения оптических характеристик рассеивающих свет сред - коэффициента поглощения и приведенного коэффициента рассеяния - по временному профилю акустического сигнала.

Предлагатся лазерный ультразвуковой метод неразрушающего контроля структуры композитных материалов. Исследуются образцы графито-эпоксидных композитов, содержащие дефекты структуры типа уплотнений и воздушных раковин. Метод основан на лазерном термооптическом возбуждении широкополосных ультразвуковых видеоимпульсов - оптико-акустических (OA) сигналов - в исследуемом материале. Рассеянные назад на структурных неоднородностях и дефектах образца акустические сигналы регистрируется широкополосным пьезоприемником, работающим в частотном диапазоне 0.1 - 30 МГц. Благодаря тому, что возбуждение и регистрирация ультразвуковых импульсов имеет место на лицевой поверхности образца, данная методика позволяет осуществлять дефектоскопию при одностороннем доступе к объекту контроля. Для математической обработки полученных экспериментальных данных используется спектральный и корреляционный анализ рассеянных назад ОА сигналов. Разработанный метод позволяет установить глубину залегания и определить характер дефектов в структуре композита.

Материалы, представляющие собой слоистые и периодические структуры в последнее время широко используются в авиастроении, машиностроении, судостроении, а также в других областях промышленности и техники. Стеклопластиковые композиты используются, например, как материал для лонжеронов лопастей вертолетов. Так называемые "glue plates", состоящие из нескольких склеенных эпоксидной смолой пластин аллюминия, применяются в построении корпусов современных пассажирских самолетов. Поэтому проблема диагностики периодичности или качества склейки таких структур является весьма важной и актуальной. Вследствии того, что упругие модули материалов слоев ПС связаны с фазовыми скоростями упругих волн, то данную проблему обычно решают ультразвуковыми методами. Однако для диагностики структур с большим числом слоев стандартные акустические методы, основаные на пьезогенерации ультразвука, слабопригодны ввиду малой эффективности возбуждения широкополосных сигналов. Широкая полоса исследования является необходимым фактором. Метод оптико-акустической диагностики, применяемый в данной работе, основывается на лазерном термооптическом возбуждении ультразвука и широкополосной регистрации акустических видеоимпульсов, вследствии чего достигается частотный диапазон исследования 0,1-100 МГц. В настоящей работе исследуется пропускание ультразвука как модельных одномерных так и реальных периодических структур (ПС). Модельные структуры состояли из эквивалентных плоскопараллельных равноразнесенных пластин оргстекла, опущенных в дистиллированную воду. Показывается, что если периодичность является строгой, то спектр пропускания ультразвука ПС имеет зонную структуру полос прозрачности и непрозрачности, причем чем больше слоев в ПС, тем более глубокими являются запрещенные зоны. Подробно исследуется случай, когда свойства одного или нескольких слоев в ПС изменены. При этом в полосе непрозрачности появляется узкий локальный максимум, локализация которого в запрещенной зоне сильно зависит от номера "дефектного" слоя. Таким образом показываеся возможность неразрушающей диагностики нарушения периодичности и дефектов в ПС. Экспериментальные данные великолепно согласуются с теоретическим расчетом. В работе исследуются также реальные ПС. Проведена диагностика качества склейки структуры, состоящей из двух пластин аллюминия, соединенных эпоксидной смолой. Показываеся, что спектр пропускания ультразвука сильно зависит от толщины и свойств эпоксидной основы.

Теоретически и экспериментально исследуется распространение широкополосных акустических видеоимпульсов в одномерных периодических структурах, состоящих из чередующихся слоев оргстекла и воды. Применяется метод широкополосной оптико-акустической спектроскопии, основанной на лазерном возбуждении ультразвука и широкополосной регистрации акустических сигналов. Экспериментально подтверждено, что спектр пропускания периодической структуры имеет чередующиеся полосы прозрачности и непрозрачности. Ширина и локализация запрещенных зон сильно зависят от толщин слоев и фазовой скорости ультразвука в слоях. Продемонстрировано, что при наличии дефектов периодической структуры в зоне непрозрачности появляется один или несколько локальных максимумов, а зона прозрачности видоизменяется. Амплитуда и расположение локального максимума в запрещенной зоне сильно зависят от положения дефектного слоя. Экспериментальные результаты хорошо совпадают с результатами численного моделирования.

Предложен ультразвуковой метод определения упругих модулей ортотропных сред с использованием лазерного источника ультразвука и широкополосной регистрации акустических сигналов. На его основе исследовано распространение акустических видеоимпульсов в однонаправленных волокнистых графитоэпоксидных композитах. Экспериментально показана применимость ортотропной модели для описания механических свойств таких сред. Выявленно, что в диапазоне частот 1-15 Мгц во всех направлениях распространения ультразвука в композите дисперсия фазовой скорости отсутствует. С помощью данного метода рассчитан полный набор упругих модулей однонаправленных (1D) волокнистых графитоэпоксидных композитов.