ОПТОАКУ́СТИКА

ОПТОАКУ́СТИКА (фо­то­аку­сти­ка), раз­дел фи­зи­че­ской аку­сти­ки, изу­чаю­щий эф­фек­ты пре­об­ра­зо­ва­ния энер­гии оп­тич. из­лу­че­ния в аку­сти­че­скую (зву­ко­вую) энер­гию при взаи­мо­дей­ст­вии мо­ду­ли­ро­ван­но­го элек­тро­маг­нит­но­го (в ча­ст­но­сти, све­то­во­го) из­лу­че­ния с твёр­ды­ми те­ла­ми, жид­ко­стя­ми или га­за­ми. О. так­же обоб­ща­ет раз­но­об­раз­ные прак­тич. при­ло­же­ния, ос­но­ван­ные на ис­поль­зо­ва­нии фо­то­аку­сти­че­ских яв­ле­ний.

Осн. ме­ха­низ­ма­ми воз­ник­но­ве­ния аку­стич. волн под дей­ст­ви­ем све­та яв­ля­ют­ся квад­ра­тич­но-не­ли­ней­ные по оп­тич. по­лю эф­фек­ты: элек­тро- и маг­ни­то­ст­рик­ция, те­п­ло­вой эф­фект, дав­ле­ние све­та. При дей­ст­вии мощ­но­го ла­зер­но­го из­лу­че­ния на ве­ще­ст­во по­яв­ля­ют­ся до­пол­ни­тель­ные, весь­ма эф­фек­тив­ные ме­ха­низ­мы ге­не­ра­ции зву­ка. Они свя­за­ны с воз­мож­ны­ми фа­зо­вы­ми пе­ре­хо­да­ми и, в ча­ст­но­сти, с из­ме­не­ни­ем аг­ре­гат­но­го со­стоя­ния сре­ды.

Эф­фект ге­не­ра­ции аку­стических волн в за­мк­ну­том объ­ё­ме га­за под дей­ст­ви­ем сол­неч­но­го све­та, мо­ду­ли­ро­ван­но­го вра­щаю­щим­ся пер­фо­ри­ро­ван­ным дис­ком, об­на­ру­жен в 1880 А. Г. Бел­лом. Эф­фект по­лу­чил назв. фо­то­аку­сти­че­ско­го (оп­то­аку­стич.) эф­фек­та; для его на­блю­де­ния Белл ис­поль­зо­вал уст­рой­ст­во, на­зван­ное им спек­тро­фо­ном. В 1881 это от­кры­тие бы­ло под­твер­жде­но в ра­бо­тах Дж. Тин­да­ля и В. К. Рент­ге­на.

В 1962 Р. Уайт (США) и А. М. Про­хо­ров с со­труд­ни­ка­ми (не­за­ви­си­мо друг от дру­га) об­на­ру­жи­ли эф­фек­тив­ное воз­бу­ж­де­ние зву­ка в кон­ден­си­ров. сре­де под дей­ст­ви­ем ла­зер­ных им­пуль­сов. Ла­зер­ная тех­ни­ка и совр. спо­со­бы ре­ги­ст­ра­ции аку­стич. сиг­на­лов от­кры­ли но­вые при­клад­ные воз­мож­но­сти для оп­тоа­ку­сти­ки.

В при­ло­же­ни­ях О. наи­бо­лее вос­тре­бо­ван­ным ме­ха­низ­мом ла­зер­ной ге­не­ра­ции зву­ка яв­ля­ет­ся те­п­ло­вой эф­фект. Ес­ли ин­тен­сив­ность из­лу­че­ния мо­ду­ли­ро­ва­на, то в по­гло­щаю­щей сре­де воз­ни­ка­ют тем­пе­ра­тур­ные вол­ны. Не­ста­цио­нар­ный на­грев при­во­дит к из­ме­не­нию плот­но­сти ве­ще­ст­ва и рас­про­стра­не­нию аку­стич. волн в сре­де, ок­ру­жаю­щей об­ласть по­гло­ще­ния све­та.

При те­п­ло­вом эф­фек­те ам­пли­ту­да аку­стич. вол­ны в об­лу­чае­мой сре­де оп­ре­де­ля­ет­ся объ­ём­ной плот­но­стью вло­жен­ной энер­гии, ум­но­жен­ной на т. н. па­ра­метр Грю­най­зе­на $Γ=\beta c^2/C_p$, где $\beta$ – ко­эф. объ­ём­но­го те­п­ло­во­го рас­ши­ре­ния, $C_p$ – те­п­ло­ём­кость при по­сто­ян­ном дав­ле­нии, $c$ – ско­рость рас­про­стра­не­ния про­доль­ных аку­стич. волн в сре­де.

Оптоакустическая спектроскопия

Ме­то­ды спек­тро­ско­пии, ос­но­ван­ные на прин­ци­пах О., рас­смат­ри­ва­ют­ся как раз­но­вид­ность ка­ло­ри­мет­рич. спек­тро­ско­пии и ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся для ис­сле­до­ва­ния спек­тров по­гло­ще­ния све­та кон­ден­си­ро­ван­ны­ми и га­зо­об­раз­ны­ми сре­да­ми. Они так­же ис­поль­зу­ют­ся для об­на­ру­же­ния сле­до­вых кон­цен­тра­ций при­ме­сей.

Оптоакустическая спектроскопия конденсированных сред: варианты измерительных схем с прямой (а) и косвенной (б) регистрацией сигнала; 1 – источник оптического излучения; 2 – заполненная исс...

Оп­тоа­ку­сти­че­ская спек­тро­ско­пия кон­ден­си­ро­ванных сред ис­поль­зу­ет т. н. оп­тоа­ку­стич. ячей­ки раз­но­об­раз­ных кон­ст­рук­ций. Ис­сле­дуе­мый об­ра­зец об­лу­ча­ет­ся им­пульс­ным или не­пре­рыв­ным мо­ду­ли­ро­ван­ным све­то­вым пуч­ком (рис.). Ре­ги­ст­ра­ция зву­ка про­во­дит­ся не­по­сред­ст­вен­но в об­раз­це (схе­ма с пря­мой ре­ги­ст­ра­ци­ей) или в при­мы­каю­щем к об­раз­цу га­зе (схе­ма с кос­вен­ной ре­ги­ст­ра­ци­ей). При ис­поль­зо­ва­нии совр. ла­зер­ной тех­ни­ки ме­тод пря­мой ре­ги­ст­ра­ции пред­по­ла­га­ет вос­ста­нов­ле­ние ко­эф. по­гло­ще­ния све­та $\alpha$ по дан­ным ам­пли­ту­ды им­пульс­но­го дав­ле­ния в ци­лин­д­рич. рас­хо­дя­щей­ся аку­стич. вол­не $p=\alpha Г E/(\pi R^{3/2}r^{1/2})$, где $E$ – энер­гия ла­зер­но­го им­пуль­са, $R$ – ра­ди­ус по­пе­реч­но­го се­че­ния све­то­во­го пуч­ка, $r$ – рас­стоя­ние от оси пуч­ка до при­ём­ни­ка зву­ка. Схе­ма от­ли­ча­ет­ся вы­со­кой чув­ст­ви­тель­но­стью, по­зво­ляя ра­бо­тать на уров­не весь­ма ма­лых зна­че­ний $\alpha$ ($\leq$10^–5 см^–1). Име­ет­ся опыт ус­пеш­но­го при­ме­не­ния ме­то­да в пре­ци­зи­он­ной ана­ли­тич. хи­мии, напр. при де­тек­ти­ро­ва­нии сле­до­вых кон­цен­тра­ций ток­сич­ных при­ме­сей в вод­ных сис­те­мах.

Схе­ма с кос­вен­ной ре­ги­ст­ра­ци­ей до­пус­ка­ет ис­поль­зо­ва­ние «не­ла­зер­ных» ис­точ­ни­ков зву­ка, про­ста в реа­ли­за­ции и при­ме­ня­ет­ся в спек­тро­ско­пии не­про­зрач­ных или силь­но рас­сеи­ваю­щих сред (напр., ин­ду­ст­ри­аль­ных жид­ко­стей, по­рош­ков).

Оп­тоа­ку­сти­че­ская спек­тро­ско­пия га­зов яв­ля­ет­ся при­знан­ным ме­то­дом де­тек­ти­ро­ва­ния га­зо­об­раз­ных и кон­ден­си­ров. при­ме­сей в ат­мо­сфе­ре с чув­ст­ви­тель­но­стью, су­ще­ст­вен­но пре­вы­шаю­щей чув­ст­ви­тель­ность др. ме­то­дов. Для ге­не­ра­ции аку­стич. волн в этом слу­чае ис­поль­зу­ет­ся не­пре­рыв­ное мо­ду­ли­ро­ван­ное по ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ние ла­зе­ров ближ­не­го ИК-диа­па­зо­на.

Оптоакустическая диагностика природных сред

Ди­аг­но­сти­ка на прин­ци­пах О. при­ме­ня­ет­ся в океа­но­гра­фии, гео­фи­зи­ке и гор­ном де­ле. 

Оп­тоа­ку­сти­че­ская ди­аг­но­сти­ка мор­ской сре­ды ос­но­ва­на на дис­тан­ци­он­ной ла­зер­ной ге­не­ра­ции мощ­но­го аку­стич. им­пуль­са. При ис­поль­зо­ва­нии ла­зер­ных им­пуль­сов ИК-диа­па­зо­на в при­по­верх­но­ст­ном слое мо­ря раз­ви­вают­ся про­цес­сы аб­ля­ции и взрыв­но­го вски­па­ния. Воз­ни­ка­ет «бес­те­лес­ный» из­лу­ча­тель аку­стич. им­пуль­са боль­шой ам­пли­ту­ды, дос­ти­гаю­щей 0,1 МПа·м. Ха­рак­те­ри­сти­ки сиг­на­ла ока­зы­ва­ют­ся близ­ки к свой­ст­вам ло­ка­ци­он­ных сиг­на­лов, из­лу­чае­мых мор. мле­ко­пи­таю­щи­ми. Это да­ёт воз­мож­ность ис­поль­зо­вать сис­те­мы об­ра­бот­ки сиг­на­ла на прин­ци­пах био­ни­ки. Ре­ги­ст­ра­ция пря­мо­го и от­ра­жён­но­го аку­стич. им­пуль­сов в мо­ре по­зво­ля­ет вос­ста­но­вить ха­рак­те­ри­сти­ки по­верх­но­ст­но­го вет­ро­во­го вол­не­ния, ис­сле­до­вать со­стоя­ние при­по­верх­но­ст­но­го слоя, тон­кую струк­ту­ру дна и па­ра­мет­ры дон­ных от­ло­же­ний в шель­фо­вых рай­онах.

Оп­тоа­ку­сти­че­ские из­ме­ре­ния па­ра­мет­ров гор­ных по­род с ис­поль­зо­ва­ни­ем сверх­ши­ро­ко­по­лос­ных УЗ-им­пуль­сов про­во­дят­ся для по­лу­че­ния дан­ных о струк­тур­ных осо­бен­но­стях и мик­ро­тре­щи­но­ва­то­стях ми­не­ра­лов. При бу­ре­нии на нефть и газ пер­спек­ти­вен ме­тод из­ме­ре­ния ани­зо­тро­пии ско­ро­сти зву­ка в слои­стых оса­доч­ных по­ро­дах с по­мо­щью ла­зер­ной ге­не­ра­ции аку­стич. им­пуль­са на стен­ках сква­жи­ны. Ме­тод обес­пе­чи­ва­ет точ­ные из­ме­ре­ния ско­ро­стей рас­про­стра­не­ния им­пуль­са по разл. на­прав­ле­ни­ям от­но­си­тель­но сло­ёв по­ро­ды.

Оптоакустическая диагностика в медицине

Прин­ци­пы О. ус­пеш­но при­ме­ня­ют­ся для ви­зуа­ли­за­ции про­цес­сов, но­во­об­ра­зо­ва­ний и па­то­ло­гич. со­стоя­ний в жи­вых тка­нях. В от­ли­чие от др. ме­то­дов ви­зуа­ли­за­ции в ме­ди­ци­не, в оп­то­аку­сти­че­ской ви­зуа­ли­за­ции кон­траст ос­но­вы­ва­ет­ся на раз­ни­це оп­тич. по­гло­ще­ния разл. со­став­ляю­щи­ми жи­вой тка­ни. Это да­ёт воз­мож­ность при­ме­нять ме­тод в ус­ло­ви­ях силь­но­го рас­сея­ния све­та. Ме­тод ус­пеш­но ис­поль­зу­ет­ся, напр., при ди­аг­но­сти­ке ок­си­ге­на­ции ге­мо­гло­би­на в со­су­дах го­лов­но­го моз­га, в прак­ти­ке ран­не­го вы­яв­ле­ния опу­хо­лей в мам­мо­ло­гии. Оп­тоа­ку­стич. ви­зуа­ли­за­ция при­ме­ня­ет­ся в фо­то­тер­мич. мо­ле­ку­ляр­ной те­ра­пии, ис­поль­зую­щей при­цель­ный на­грев вве­дён­ных в боль­ной ор­ган зо­ло­тых на­но­ча­стиц. В этом ме­то­де предъ­яв­ля­ют­ся стро­гие тре­бо­ва­ния к приё­му и об­ра­бот­ке аку­стич. сиг­на­ла на час­то­тах в де­сят­ки МГц. Для этих це­лей раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся спец. ми­ниа­тюр­ные мно­го­ка­наль­ные при­ём­ни­ки зву­ка.

Методы О. при­ме­ня­ют­ся так­же в не­раз­ру­шаю­щем кон­тро­ле ма­те­риа­лов, при ис­сле­до­ва­нии про­цес­сов ре­ком­би­на­ции и пе­ре­но­са за­ря­дов в по­лу­про­вод­ни­ках.