Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

ТЕПЛОВОЕ САМОВОЗДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В ТОНКОСЛОЙНОЙ ЖИДКОФАЗНОЙ СРЕДЕ

Иванов В.И. 1 Иванова Г.Д. 1 Хе В.К. 1
1 ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»
Метод тепловой линзы широко используется для исследования нелинейных сред и оптической диагностики материалов. В стандартной схеме светоиндуцированная тепловая линза рассчитывается при учете только радиального теплового потока, что применимо для толстой кюветы, когда поперечный размер луча много меньше длины (толщины) кюветы. В данной работе предлагается новая схема с тонкослойной кюветой, толщина которой значительно меньше размера светового пучка. Данная схема предпочтительнее для максимальной миниатюризации оптической ячейки, размеры которой могут составлять микрометры. Последнее особенно актуально для жидкофазных сред, поскольку в таких кюветах существенно ослаблено влияние конвекции на процесс измерения. Решение тепловой задачи в тонкослойной геометрии требует учета тепловых потоков через окна ячейки. В результате точного аналитического решения задачи в работе получено выражение для стационарного термолинзового отклика среды с учетом термолинзы в окнах кюветы. Полученные результаты актуальны для оптической диагностики дисперсных жидкофазных сред, в т.ч. термооптической спектроскопии.
самовоздействие излучения
тепловая линза
оптическая нелинейность
1. Доронин И.С., Иванова Г.Д., Кузин А.А., Окишев К. Н. Термодиффузия наночастиц в жидкости // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 6-2. – С. 238-242.
2. Иванов В.И., Иванова Г.Д., Хе В.К. Влияние термодиффузии на термолинзовый отклик жидкофазной дисперсной // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов, межвуз. сб. науч. тр. / под общей ред. В. М. Самсонова, Н.Ю. Сдобнякова. – Тверь: Твер. гос. ун-т, 2013. – Вып. 5. – С. 112-115.
3. Иванов В.И., Иванова Г.Д., Хе В.К. Термолинзовая спектроскопия двухкомпонентных жидкофазных сред // Вестник Тихоокеанского государственного университета. – 2011. – № 4. – С. 039-042.
4. Иванов В.И., Кузин А.А., Ливашвили А.И. Термоиндуцированное самовоздействие гауссова пучка излучения в жидкой дисперсной среде // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. – 2010. – Т. 5. – № 1. – С. 5-8.
5. Иванов В.И., Ливашвили А.И. Электрострикционный механизм самовоздействия излучения в жидкости с наночастицами // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. – 2009. – Т. 4. – № 2. – С. 58-60.
6. Иванов В.И., Ливашвили А.И., Окишев К.Н. Термодиффузионный механизм изменения оптического пропускания двухкомпонентной среды // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. – 2008. – Т. 51. – № 3. – С. 50-53.
7. Иванов В.И., Окишев К.Н. Термодиффузионный механизм записи амплитудных динамических голограмм в двухкомпонентной среде // Письма в «Журнал технической физики». – 2006. – Т. 32. – № 22. – С. 22-25.
8. Иванова Г.Д., Кирюшина С. И., Кузин А.А. Исследование явлений массопереноса в бинарных средах термографическим методом // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 2. URL: www.science-education.ru/116-12579.
9. Иванова Г.Д., Кирюшина С.И., Мяготин А.В. Динамические голограммы в жидкофазной дисперсной среде // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9-10. – С. 2164-2168.
10. Сухоруков А.П. Дифракция световых пучков в нелинейных средах // Соросовский образовательный журнал. – 1996. – № 5. – С. 85-92.

Светоиндуцированная линза часто используется для исследования нелинейно-оптических свойств сред, а также в различных методах оптической диагностики материалов [1-8]. Наиболее детально разработан метод тепловой линзы, достаточно давно применяемый в термооптической спектрометрии [1-3]. Образованная лазерным пучком в среде линза увеличивает расходимость формирующего ее пучка (или пробного – в двухлучевой схеме), что регистрируется фотоприемником. Обычно в стандартной схеме тепловая задача рассчитывается при учете только радиального теплового потока, что применимо для толстой кюветы, когда поперечный размер луча много меньше длины (толщины) кюветы. Однако в ряде случаев возникает необходимость исследования тонкопленочных образцов. Такие задачи могут быть обусловлены, например, интегрально-оптическим исполнением экспериментальной схемы (с целью миниатюризации измерительной ячейки).

Цель исследования

В данной работе теоретически исследовано тепловое самовоздействие (термолинзовый отклик) гауссова пучка излучения в тонкослойной кювете.

Рассмотрим однолучевую схему измерения термолинзового сигнала (рис. 1). Пусть среда с коэффициентом поглощения находится в тонкой кювете толщиной . Для гауссова пучка распределение интенсивности падающего излучения в плоскости, перпендикулярной оптической оси z:

, (1)

где – радиус пучка на расстоянии от перетяжки, r – расстояние от оси пучка, – длина волны излучения, – радиус пучка в перетяжке, – интенсивность излучения на оси в плоскости перетяжки пучка.

однолучевой тонкий слой.png

Рис. 1. К расчету термолинзового отклика среды в тонкослойной цилиндрической кювете (см. текст)

Термолинзовый сигнал определяется изменением приосевой интенсивности излучения за экраном

. (2)

Для нахождения параметров тепловой линзы рассмотрим тепловую задачу нагрева среды лазерным пучком. Считая, что для малых толщин слоя среды и окна кюветы () можно пренебречь радиальным (вдоль ) тепловым потоком, получаем их одномерную тепловую задачу:

, (3)

где – удельные теплоемкость и плотность среды, – температура среды, – коэффициент теплопроводности среды.

Аналогично рассматривается тепловая задача для температуры в окне кюветы :

, (4)

где – теплофизические параметры материала окна.

Граничные условия на границе кювета-воздух соответствуют, например, конвективному теплообмену:

. (5)

где – соответственно коэффициент конвективного теплообмена и температура внешней среды, . На границе раздела среда кювета имеем условия равенства температур и тепловых потоков:

. (6)

. (7)

В стационарном режиме имеем следующие решения системы (3–7) для распределения температур в среде и окне кюветы :

, (8)

, (9)

. (10)

Для расчета термолинзового сигнала используем выражение для линзовой прозрачности кюветы [10]:

(11)

(9)

где , – нелинейный набег фаз в оптической ячейке на оси пучка. Последний включает два вклада, обусловленных термолиной в слое среды и в окнах кюветы:

. (12)

, (13)

где и постоянные для нелинейной среды и материала окна соответственно.

Используя (9–11), получаем:

. (12)

(13)

Окончательно для стационарного термолинзового сигнала имеем выражение:

. (14)

Полученное выражение показывает влияние на величину отклика как теплофизических параметров среды и материала кюветы, так и геометрических размеров оптической ячейки, жидкостью.

Выводы

В данной работе предлагается новая схема термолинзового эксперимента с тонкослойной кюветой, толщина которой значительно меньше размера светового пучка. В результате точного аналитического решения тепловой задачи в работе получено выражение для стационарного термолинзового отклика среды с учетом термолинзы в окнах кюветы. Применение данной схемы предпочтительнее для микрокювет с жидкофазными средами, поскольку в таких кюветах существенно ослаблено влияние конвекции на процесс измерения. Полученные результаты актуальны для нелинейной оптики дисперсных жидкофазных сред [6–9], а также для оптической диагностики таких сред (в т.ч. термооптической спектроскопии) [3].

Рецензенты:

Крылов В.И., д.ф.-м.н., профессор кафедры «Физика» ФГБОУ ВПО Дальневосточный государственный гуманитарный университет, г. Хабаровск;

Жуков Е.А., д.ф.-м.н., профессор кафедры «Электроника и электротехника» ФГБОУ ВПО Тихоокеанский государственный университет, г. Хабаровск.


Библиографическая ссылка

Иванов В.И., Иванова Г.Д., Хе В.К. ТЕПЛОВОЕ САМОВОЗДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В ТОНКОСЛОЙНОЙ ЖИДКОФАЗНОЙ СРЕДЕ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=17046 (дата обращения: 22.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252