Глава III.

Неразрушающий контроль и диагностика одномерных периодических структур лазерным ультразвуковым методом.

В данной главе рассмотрена задача неразрушающей оптико-акустической диагностики различных модельных и реальных периодических структур (ПС). В настоящее время такие материалы находят широкое применение в прикладной оптике, акустике, механике [43-52]. Поэтому необходимо уметь как теоретически, так и экспериментально определять параметры таких структур. В данном разделе исследуется распространение ультразвуковых волн в ПС. Несмотря на то, что такая задача является задачей акустической спектроскопии, в большинстве рассмотренных случаев представляется необходимым применение лазерного возбуждения зондирующих ультразвуковых импульсов. Это позволяет провести исследование в широкой полосе частот и разрешить основные трудности, связанные с применением традиционных пьезоизлучателей.

§ 3.1 Краткий обзор литературы по неразрушающей диагностике акустических и механических свойств периодических структур.

С развитием технологии полупроводниковых приборов, в частности интегральных схем, представляющих собой сложную многослойную структуру с использованием полупроводников разного типа проводимости, возрос интерес к изучению свойств периодических структур или композитов. Под периодичностью понимается возможность представления свойств среды в виде: f(r+d)=f(r), где d – период структуры. Хорошо изучено поведение полупроводниковых структур в электрическом поле, когда они проявляют свойства, отличные от свойств однородных полупроводников.

Поскольку полупроводниковые структуры являются исходным материалом в технологии, исследование их свойств представляет большой интерес. Целью таких работ является возможность описания ПС как целого, с введением неких эффективных параметров, таких как коэффициенты преломления, поглощения и т.д. В статьях [53,54] можно найти ссылки на работы, выполненные за последнее время по изучению магнонов, фононов, плазменных поляритонов в сверхрешетках. В этих работах отмечается существование диапазона частот электромагнитного излучения, при котором плазменные поляритоны не появляются. При этом в отдельных однородных компонентах структуры такой эффект не наблюдается. Ссылки на работы, в которых изучается распространение электромагнитного излучения в ПС различного типа можно найти, например, в [55].

Возможность получения и применения в технологии новых материалов, у которых по аналогии с полупроводниковыми структурами будет периодически меняться некоторая физическая характеристика, объясняют повышенный интерес к изучению композитов. Интересным эффектом является наличие диапазонов прозрачности и непрозрачности у ПС, которые наблюдаются для различных типов излучения. В оптике такие структуры используются при изготовлении диэлектрических фильтров и зеркал резонаторов, которые представляют собой чередующиеся слои с различными диэлектрическими постоянными. В спектре пропускания электромагнитного излучения, когда длина волны излучения сравнима с периодом, у ПС есть диапазон частот непрозрачности [56,57]. Слоистые ПС с различными акустическими импедансами используются в гидроакустике в качестве резонансных покрытий микрофонов, отражающих экранов, сонаров и при конструировании систем подводного обнаружения. Возможно применение таких структур в системах высокоточного машиностроения для уменьшения вибрации оборудования в заданном диапазоне частот. Слоистые структуры, полученные из оптически нелинейных полимерных материалов, находят применение в динамической голографии, зеркалах с обращением волнового фронта, двумерном оптическом воспроизведении [58].

В последнее время интенсивно исследуется случай, когда один из слоев заменяется материалом со свойствами (показатель преломления, тип проводимости, коэффициент поглощения, плотность и т.д.), нарушающими периодичность. В этом случае при прохождении электромагнитных волн в полосе непрозрачности появляется локальный максимум пропускания электромагнитного излучения [58]. Аналогичная ситуация существует, когда в кристаллическую решетку полупроводника внедряют атом примеси, который дает разрешенное энергетическое состояние в запрещенной зоне.

Интерес к изучению ПС в акустике объясняется, во-первых, возможностью экспериментального исследования на макроуровне эффектов, аналогичных тем, которые имеют квантовую природу. Во-вторых, большинство композитных материалов являются ПС, поэтому исследование акустических свойств таких структур представляется важным и актуальным.

Авторами [59] теоретически и экспериментально исследуется пропускание ультразвука ПС, состоящей из шести расположенных периодически слоев стекла толщиной 1,22 мм, и воды толщиной 1мм. Показано наличие в такой структуре запрещенных зон и зон пропускания УЗ в диапазоне 1-6 МГц.

Существование полос прозрачности и непрозрачности в спектре пропускания ПС показано также в работе [60] теоретически и экспериментально. Причем наличие дефектов ПС ведет к появлению локального максимума в запрещенной зоне спектра пропускания. Таким образом, в [60] показана возможность диагностики ПС с дефектами.

В работах [61-63] теоретически проанализирована зонная структура спектров пропускания ультразвука системой, состоящей из металлических цилиндрических стержней, расположенных параллельно в воздухе или в жидкости. Работы [64,65] посвящены теоретическому рассмотрению распространения УЗ в двух- и трехмерных ПС. Решение такой задачи проводится с использованием теоремы Блоха и преобразования Фурье и сводится к отысканию собственных значений волновых векторов распространяющихся в ПС акустических волн. Обзор работ, выполненных по изучению распространения ультразвуковых волн в композитных структурах для случая, когда длина акустической волны близка к периоду структуры, можно найти в статье [66], где анализируются различные теоретические модели как одномерных, так и трехмерных упорядоченных композитных структур.

Частотный спектр пропускания ультразвука двумерной структурой, представляющей собой систему из 36 металлических стержней диаметром 2.34 см, расположенных в узлах квадратной сетки с периодом 3.7 см, исследовался в работе [67]. Было экспериментально доказано существование в такой системе запрещенных зон пропускания ультразвука в частотном диапазоне до 10 кГц. Однако отсутствие сравнения результатов экспериментов с численным моделированием, небольшое количество экспериментальных точек в спектре и сильная изрезанность последнего не позволяют судить о достоверности полученных результатов.

В большинстве экспериментальных работ по исследованию распространения акустических волн в ПС исследовались только структуры с малым числом слоев. Это связано со снижением пропускания ПС при увеличении числа слоев и ограничением частотного диапазона исследования при использовании пьезопреобразователей. Применение широкополосных термооптических источников ультразвука [1,2] позволит преодолеть указанные трудности. Таким образом, исследование распространения УЗ в модельных одномерных ПС с известными характеристиками и проверка применимости теоретических расчетов продолжают оставаться актуальными задачами. Можно надеяться, что исследование спектров пропускания композитов в широкой полосе частот позволит расшифровать их структуру. Более того, применение результатов данных исследований к оптическим задачам позволит смоделировать многие аналогичные эффекты на макроуровне.