Общая характеристика научного направления и его актуальность.

Оптоакустический или оптико-акустический (OA) эффект, т.е. явление возникновения акустических волн вследствие поглощения падающего на исследуемый образец модулированного оптического излучения, был открыт в конце 19-го века Александром Беллом . Всего лишь через несколько месяцев после опытов Белла этот эффект был подтвержден в независимых экспериментах Тиндаля и Рентгена . Однако отсутствие в то время регистрирующих устройств с высокой чувствительностью стало причиной того, что это открытие долгое время оставалось неиспользованным и по существу было забыто. И лишь спустя почти 60 лет эксперименты М. Вейнгерова по созданию OA газоанализаторов в инфракрасном диапазоне возродила интерес к исследованию этого явления.

Появление в начале шестидесятых годов 20-го века лазеров - новых мощных источников когерентного оптического излучения - не только повлияло на представления о многих ранее известных явлениях, но и позволило открыть целый класс новых, линейных и нелинейных физических эффектов, что привело к созданию принципиально новых лазерных методов исследования широкого спектра свойств различных систем. К ним относится и метод оптоакустической спектроскопии. Получив свое возрождение на качественно новом уровне с появлением когерентных источников света, фотоакустика превратилась в один из наиболее быстроразвивающихся методов лазерной спектроскопии. За более чем 40-летний современный период ее развития были выявлены и изучены основные механизмы генерации OA сигналов в конденсированных средах и разработан целый ряд экспериментальных способов регистрации и количественных измерений амплитудно-фазовых и частотных характеристик изучаемых сигналов.

Оказалось, что вдали от температуры фазовых переходов основным механизмом возбуждения OA сигнала является тепловое расширение среды, что показывает важность изучения термофизических свойств и процессов для понимания фотоакустических явлений. Была построена теория, описывающая различные особенности процесса формирование OA сигнала в жидкостях и твёрдых телах, а также поведение его параметров в зависимости от характеристик падающего оптического пучка и физических свойств среды. Первоначально исследования в области фотоакустической спектроскопии ограничивались изучением случая линейного режима возбуждения, при котором амплитуда ФА сигналов относительно мала, а их частота совпадает с частотой модуляции оптического излучения. Несмотря на обилие публикаций, относящихся к этому режиму , многие важные вопросы линейной фотоакустики оставались до недавнего времени неясными или недостаточно исследованными. Среди них можно отдельно отметить следующие: экспериментальное изучение формирования фотоакустического сигнала в твердых телах и жидкостях, учет влияния теплового расширения и теплового насыщения на величину ФА сигнала и форму фотоакустических спектров.

Другой важный аспект фотоакустических явлений состоит в том, что при трансформации большого количества световой энергии в тепловую происходит существенное повышение температуры освещаемой области среды. Из-за пространственного (обычно гауссова) распределения света в оптическом луче возникает новое пространственно неоднородное термодинамическое состояние среды. В результате теплофизические и оптические параметры среды становятся зависящими от температуры, и возникает своеобразная «тепловая нелинейность» . Очевидно, что такая тепловая нелинейность будет влиять на процесс формирования OA сигнала. Это влияние, на взгляд, может проявляться двояким образом. Во-первых, оно может быть искажающим фактором, тогда обработка результатов экспериментов, основанная на существующих «линейных» представлениях, становится проблематичной. Во-вторых, из-за тепловой нелинейности могут генерироваться высшие гармоники OA сигнала, экспериментальное изучение которых может служить дополнительным независимым источником информации. Такие нелинейные фотоакустические явления легко наблюдаемы в эксперименте. [1],[2].

Актуальность обсуждаемого научного направления связана, с одной стороны, с его широкими и перспективными приложениями в технике и в экспериментальной физике при разработке приборов и устройств для исследования оптических характеристик веществ, ФА микроскопии оптических и тепловых неоднородностей, послойного анализа этих неоднородностей по глубине. Дело в том, что методы ФА спектроскопии являются бесконтактным и надежным способом измерения теплофизических и оптических параметров в широком диапазоне их изменения, пригодным для самых разнообразных материалов. Поэтому фотоакустика оказывается незаменимой при исследовании конденсированных сред в различных формах их фазового состояния. Здесь уместно отметить и общую тенденцию усиления материаловедческой направленности, наблюдаемую в последние года в физических исследованиях. С другой стороны, возбуждение ФА сигналов представляет собой комплексный процесс взаимодействия физических полей различной природы - акустического, оптического и теплового - который может происходить в разнообразных конденсированных средах, что делает этот круг явлений весьма обширной и интересной областью для разнообразных физических исследований. Отмеченные факторы показывают, что фотоакустика является актуальным наравлением современной физики, важным как для практических приложений, так и для развития фундаментальных научных знаний. [1],[2].