Акустический отклик,сопутствующий ВРМБ в жидкости Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 535.34

АКУСТИЧЕСКИМ ОТКЛИК, СОПУТСТВУЮЩИЙ ВРМБ В ЖИДКОСТИ

А. И. Ерохин, Д. О. Замураев, К. В. Зотов

Зафиксированы звуковые волны, распространяющиеся из зоны ВРМБ в гексане. В направлении, перпендикулярном распространению взаимодействующих при ВРМБ волн, с помощью широкополосного приемника акустических колебаний зарегистрирован сигнал, коррелирующий с наличием процесса ВРМБ в жидкости.

Процесс ВРМБ связан с генерацией мощной гиперзвуковой волны (см., напр., [1, 2]).

Известно, что акустические волны гиперзвукового диапазона частот в веществе быстро

затухают (ahs Ю3 см-1) и существуют только в области светоакустического взаи-

/

модействия. Интенсивность гиперзвуковой волны 7hs, участвующей в процессе ВРМБ в области насыщения, можно, согласно [1], оценить по формуле:

Т _ Т ^МВ ffSBS ^hs — Jpump „ j

из 2ahs

где /рщпр ~ интенсивность возбуждающего света; Пвм и из — соответственно частоты гиперзвука и возбуждающего света; gsBS и c*hs ~ инкременты усиления ВРМБ и затухания гиперзвука соответственно. Амплитуда приращения плотности в гиперзвуковой волне, нормированная на плотность жидкости, по этой оценке составит ~ Ю-3. Звук такой амплитуды является (см., напр., [3]), сильно нелинейным. Недаром в [4] предполагали, что его действие может вызвать разрушение в кристаллах и стеклах. Исследование нелинейности гиперзвука при ВРМБ, к сожалению, ограничивалось экспериментальным поиском его гармоник, которые явно присутствуют в плазме [5] и слабо проявляются в конденсированных средах [6]. Частота гиперзвуковых гармоник превышает Пмв, а значит они тем более локализованы внутри сфокусированного лазерного луча.

Цель данной работы - поиск акустических сигналов, выходящих за пределы каустики и определение их связи с ВРМБ.

В эксперименте использован одночастотный лазер на неодимовом стекле (Л = 1.055 мкм). Добротность резонатора лазера модулировалась кристаллом LiF, и длительность импульса ¿pump составляла 25 нсек. Излучение лазера проходило через Фарадеевскую развязку, а затем фокусировалось линзой (4) в центр кюветы с гексаном (5) (рис. 1), в которой и происходила генерация ВРМБ. Приемниками излучения лазера и ВРМБ служили фотоэлементы ФК-19 (1), электрический отклик с которых поступал на вход осциллографа TDS 3032. Для регистрации акустического сигнала использовался широкополосный сегнетоэлектрический приемник (2) на основе PbZri_xTix03 - пленки размером 2 х 2 х 0.01 мм3, принимающий сигналы до частот ~ 107 Гц и согласованный со входом широкополосного усилителя. Ограниченная область каустики, в которой происходил процесс ВРМБ, отображалась акустической линзой 3, изготовленной нами из химически стойкого полимера ("фторакс", скорость звука VS2 в котором, по нашим измерениям, составила ~ 2.7-105 см/сек), на приемник 2. Применение акустической линзы позволило не только локализовать зондируемый объем, но и многократно повысить чувствительность аппаратуры.

Рис. 1. Схема эксперимента. 1,2 - приемники оптического и акустического излучения; 3,4 - акустическая и оптическая линзы; 5 - кювета с гексаном.

В направлении, ортогональном развитию процесса ВРМБ (рис. 1), нами зарегистрирован акустический сигнал, приходящий на приемник с задержкой ¿del ~ 35 мксек по

окончании оптического воздействия. Задержка включала время прохождения звуком гексана (толщиной 3.2 см со скоростью К1 = 1-08 • 105 см/сек) и материала линзы (3) (толщиной 1.5 см со скоростью Кг)- Сигнал исчезал в том случае, если мощности лазера не хватало для возбуждения ВРМБ. На рис. 2(а) представлено поведение эффективности преобразования лазерного излучения в стоксов сигнал (ВРМБ) в зависимости от энергии накачки И^ритр. Зависимость 2(6) отражает поведение амплитуды акустического сигнала при изменении Жритр в том же диапазоне. Графики 2(а) и 2(6) имеют визуальное сходство и достигают насыщения при одинаковых уровнях возбуждения, а также имеют близкие пороги регистрации.

5 л

4 -

aib.un. u> •

¿b еа 2 - Oí

1 -

0 •

0.0

(а)

—i—

12.5

25.0

—i—

37.5

50.0 Wpump> mJ

250

200

>

а 150

оГ

100 50

0.0

12.5

25.0

37.5

50.0

Mpump'

Рис. 2. Зависимости эффективности Дбвб процесса ВРМБ (а) и амплитуды Р акустического сигнала (б) от энергии накачки И'рцшр.

Для анализа полученных данных сопоставим вклад теплового расширения жидкости в каустике и ее стрикционного сжатия. Относительное изменение плотности вещества

за счет поглощения света kw составляет:

Арт It

pump^tu

/3, где ср - теплоемкость, а /3

Р рсР

-коэффициент теплового расширения. Для /~109 вт/см2 и tpv¡mp ~ 2.5 • Ю-8 сек

эта величина составит ~ 2 • Ю-4. Обычное стрикционное сжатие в отсутствие ВРМБ,

7el

согласно [2], составило бы величину ApstI & —~-, на порядок меньшую, чем Арт-

ncVs\

Наблюдаемая нами волна сжатия существенно отличается от обычной электрострик-ционной волны. Она уверенно регистрируется при достижении порога ВРМБ и ее амплитуда повторяет поведение гиперзвуковой волны. Между тем гиперзвуковая волна,

имеющая коэффициенты поглощения ahs ~ 4 • 103 см-1, не может достичь акустической линзы. К тому же полоса используемого акустического приемника ограничена частотой 107 Гц, следовательно фиксируется звук значительно меньшей частоты, чем гиперзвук, обусловленный ВРМБ.

Т.о. авторами впервые (насколько нам известно) зарегистрирована низкочастотная составляющая звука, сопутствующая ВРМБ.

Авторы благодарят В. В. Савранского за предоставление акустического приемника, а Ю. В. Митягина за предоставление осциллографа.

ЛИТЕРАТУРА

[1] В. С. Старунов, И. Л. Фабелинский, УФН 98, 441 (1969).

[2] R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 2 ed., (New York, Academic Press, 2003).

[3] Л. К. Зарембо, В. И. Тимошенко, Нелинейная акустика (М., МГУ, 1984).

[4] С. В. Кривохижа, Д. И. Маш, В. В. Морозов и др., Письма в ЖЭТФ 3, 378 (1966).

[5] Н. С. Bandulet, С. L. Labaune, К. Lewis and S. Depierreux, Phys. Rev. Lett. 93, 035002 (2004).

[6] R. G. Brewer, Appl. Phys. Lett. 6, 165 (1965).

Поступила в редакцию 7 мал 2008 г.