ФОТОАКУСТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

ФОТОАКУСТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

       

возникновение звуковых (акустических) волн в средах под действием оптического излучения. Ф. я. могут быть связаны с обратным пьезоэлектрич. эффектом в кристаллах и пьезокерамике (см. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ, ФОТОУПРУГОСТЬ), электрострикционным эффектом, фототермоакустическим эффектом и др.

При электрострикции избыточное давление в среде пропорционально квадрату напряжённости электрич. поля, и поэтому Ф. я., связанные с этим эффектом, всегда сопровождаются преобразованием частотного спектра оптич. излучения. Электрострикционные Ф. я. обусловливают такой важный для нелинейной оптики эффект, как вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна (см. МАНДЕЛЬШТАМА — БРИЛЛЮЭНА РАССЕЯНИЕ). При этом в среде происходит возбуждение (усиление) гиперзвуковой волны с частотой, равной разности частот падающей и рассеянной волн.

Под фототермоакустическим эффектом понимается нагрев поглощаемым светом (а в более общем случае — эл.-магн. излучением любой частоты) облучаемой области среды, что приводит к изменению плотности среды или механич. напряжений. Модуляция мощности падающего излучения вызывает соответствующие временные изменения плотности или термонапряжений, что обусловливает возбуждение акустич. поля в среде, окружающей область поглощения света. Возбуждение звука возможно и без временной модуляции светового пучка, лишь за счёт перемещения в пространстве области его поглощения: в однородной среде — со сверхзвуковой скоростью (т. н. «черенковское излучение» звука по аналогии с Черенкова — Вавилова излучением), & в акустически или оптически неоднородной среде — с любой скоростью (т. н. «переходное излучение» звука).

До появления лазерных источников излучения фототермоакустич. эффект нашёл практич. применение в фотоакустич. спектроскопии и в оптико-акустич. фотоприёмниках, в к-рых используется селективное поглощение исследуемого излучения в газовой ячейке с регистрацией возникающего в ней избыточного давления. С развитием лазерной техники термоакустич. механизм возбуждения звука стал практически универсальным способом бесконтактного возбуждения .акустич. волн в любых средах, в т. ч. и удалённых от источников света. При этом в связи с возможностью концентрации мощного лазерного излучения в малые области среды появились дополнит. физ. механизмы преобразования энергии света в энергию звука. Они обусловлены переходом облучаемой области среды в новое агрегатное состояние. Так, при оптич. (лазерном) пробое среды в области фокусировки излучения возникает сильно поглощающая плазма, к-рая быстро нагревается до высоких темп-р, и в окружающую среду распространяется ударная волна, переходящая по мере удаления от фокуса в обычную акустич. волну. При облучении поверхности конденсир. среды может развиться интенсивное поверхностное испарение её, что приводит в результате реактивной отдачи к возбуждению в самой среде также ударной волны, переходящей по мере распространения в акустическую.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ФОТОАКУСТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

- возникновение звуковых волн в среде под действием оптич. излучения. Осн. механизмы Ф. <я. связаны с фототермич. эффектом, электронно-деформац. эффектом, обратным пьезоэффек-том, электрострикцией и др.

Под ф о т о т е р м и ч е с к и м э ф ф е к т о м понимается нагревание вещества поглощаемым светом или вообще эл.-магн. излучением любой частоты. Если интенсивность излучения модулирована, то в среде возникают температурные волны, распространяющиеся от места выделения теплоты. Нестационарное нагревание вызывает изменение плотности вещества, или термоупругие напряжения, что обусловливает возбуждение акустич. волн в среде, окружающей область поглощения света. Исторически именно такой вариант возбуждения звука при поглощении света в замкнутом объёме газа был открыт А. Беллом (A. Bell) в 1880 и назван фотоакустич. эффектом. Фотоакустич. эффект нашёл широкое применение в фотоакустической спектроскопии самых разнообразных веществ, в оптико-акустич. фотоприёмниках, основанных на использовании селективного поглощения излучения в газовой ячейке; он лежит в основе высокочувствит. методов газового анализа. Фототермич. эффект является универсальным способом бесконтактного возбуждения звука в любых средах, в т. ч. и удалённых от источника света.

Регистрация звуковых волн и фототермич. деформации образцов позволяет бесконтактным образом получать информацию о процессах превращения энергии света в тепло и о наличии неоднородностей в объёме непрозрачных объектов. Такая возможность связана с тем, что выделение теплоты происходит не непосредственно при поглощении света, а в результате релаксации вызванных светом возбуждений электронной подсистемы. Так, в полупроводниках при межзонном поглощении света возникают неравновесные электроны и дырки, а теплота выделяется с задержкой во времени в процессе их термализации и рекомбинации, к-рый сопровождается переносом носителей заряда в пространстве. Возникающая частотная и пространственная дисперсия тепловых источников передаётся посредством температурных волн звуковым волнам и может быть восстановлена путём анализа частотных зависимостей их амплитуды и фазы. Т. о. могут быть определены характеристики процессов рекомбинации и переноса носителей заряда.

При действии мощного лазерного излучения на вещество появляются дополнит. механизмы оптич. генерации звука. Они связаны с возможными фазовыми переходами, и в частности с изменением агрегатного состояния вещества. Так, при облучении поверхности конденсированной среды может развиться интенсивное испарение, к-рое вследствие реактивной отдачи приводит к образованию ударной волны, переходящей по мере её распространения в акустическую. Аналогичное явление возникает и при оптич. пробое в газах (см. Оптические разряды): под действием света возникает сильно поглощающая свет плазма, к-рая быстро разогревается до высоких темп-р, вследствие чего в окружающей среде возникает ударная волна, а затем и акустическая.

Э л е к т р о н н о-д е ф о р м а ц и о н н ы й э ф ф е к т обусловлен тем, что в твёрдых телах электроны (как валентные, так и свободные) в значит. мере определяют силы взаимодействия между атомами. Если под действием света происходит разрыв ковалентных связей (валентный электрон переходит в свободное состояние), то изменяются силы связи между атомами и возникают механич. напряжения нетепловой природы. При нестационарном освещении эти напряжения и создают звуковые волны. Тензор напряжений s_ik пропорционален концентрации созданных светом неравновесных носителей заряда, поэтому электронно-деформац. механизм Ф. я. оказывается существенным в полупроводниках с достаточно большим временем жизни носителей заряда. При межзонном поглощении света

где D^c_ik и D^u_ik -константы деформационного потенциала для дна зоны проводимости и потолка валентной зоны, Dn и Dp -концентрации неравновесных электронов и дырок. В полупроводниках электронно-деформац. механизм Ф. <я. становится преобладающим при высоких частотах модуляции света.

Механизм о б р а т н о г о п ь е з о э ф ф е к т а существен в высокоомных пьезополупроводниках при межзонном поглощении модулированного света, когда нестационарные электрич. поля возникают вследствие пространственного разделения неравновесных электронов и дырок, напр. за счёт Дембера эффекта или встроенных полей р - п-перехо-дов или гетеропереходов.

Электрострикция является преобладающим механизмом Ф. я. в прозрачных диэлектриках при достаточно высоких частотах. С электрострикционными Ф. я. связан такой важный для нелинейной оптики эффект, как вынужденное Мандельштама-Бриллюэна рассеяние, к-рое возникает при достаточно высокой интенсивности света и сопровождается генерацией интенсивной гиперзвуковой волны.

Возбуждение звука возможно также за счёт перемещения светового пучка без модуляции его интенсивности. В неоднородной среде акустич. волны образуются при любой скорости перемещения света. Если среда однородна, то звук излучается при перемещении светового пучка со сверхзвуковой скоростью (аналогично Черенкова- Вавилова излучению).

Ф. <я. играют важную роль в механизмах воздействия мощного лазерного излучения на твёрдые тела (см. Лазерная технология).

Лит.; Ахманов С. А. [и др.], Воздействие мощного лазерного излучения на поверхность полупроводников и металлов: нелинейно-оптические эффекты и нелинейно-оптическая диагностика, "УФН", 1985, т. 147, в. 4, с. 675; Васильев А. Н., Сабли-ков В. А., Сандомирский В. Б., Фототермические и фотоакустические эффекты в полупроводниках и полупроводниковых структурах, "Изв. вузов. Физика", 1987, т. 30, № 6, с. 119; Photoacoustic and thermal wave phenomena in semiconductors, ed. A. Mandelis, N. Y.- [a. o.], 1987; Гусев В. Э., Карабутов А. А., Лазерная оптоакустика, М, 1991. В. А. Сабликов,

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.