基于冲击受激光散射的介质声速测量

摘要

声速是弹性介质中压力波的传播速度，是描述介质的振动特性和机械响应的基本物理量，对不同体系、不同状态下介质的声速测量具有重要意义。由于超声换能器的存在，传统的超声测量法在金刚石对顶砧加载的高温高压等环境下难以实现非接触测量。在光学非接触探测中，布里渊散射法也由于频移较小，信号微弱等原因没有得到广泛应用。冲击受激光散射是基于介质的非线性光学效应，以瞬态光栅的手段激发介质超声波的技术，是激光超声与光散射技术的结合。该方法是利用两束相干的超短脉冲激光以一定角度入射样品表面，在介质中激发瞬态光栅，通过分析光栅对探测光的衍射动力学信号分析超声波的传播速度。
　　本文首先对冲击受激光散射实验中瞬态光栅形成机制及其特性进行理论分析。用光的电磁场形式描述了瞬态光栅中调制场的调制幅和偏振。对瞬态光栅中的布
　　拉格衍射进行细致分析。给出了信号光的频率与出射方向，验证了光学外差探测的可行性。
　　进而，搭建以纳秒激光激发冲击受激光散射的实验装置，对受激光散射进行初步探索。通过对几种有机溶液和有机介质膜的热光栅激发研究，分析了光学外差探测技术对单波长受激散射实验衍射信号的显著放大作用。
　　最后，结合已有的经验，搭建以飞秒激光激发的全带宽1 GHz冲击受激光散射实验装置。在激光染料的辅助下对几种有机溶液中激发了数百兆赫兹的超声波，结合瞬态光栅的光栅周期计算了介质中的声速。并将实验装置拓展到金刚石对顶砧加载的液体静高压实验中，测量了500 MPa内乙醇声速随压力的变化情况。
　　本文以全光学非接触的手段，基于冲击受激光散射技术在介质中激发超声波。并将其成功应用于有光吸收的透光介质的静高压声速测量实验中。该方法为极端条件下的物性研究提供了新的途径。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.1.1课题的背景

1.1.2课题研究的目的和意义

1.2静高压下介质声速测量技术进展

1.2.1基于活塞圆筒装置的静高压声速测量

1.2.2基于DAC装置的静高压声速测量

1.3冲击受激光散射实验技术进展

1.3.1理论机制的发展与探讨

1.3.2实验装置的设计与演化

1.3.3压力加载下冲击受激光散射实验

1.4本文的主要研究内容

第2章 冲击受激光散射实验的理论分析与结构设计

2.1冲击受激光散射实验的理论分析

2.1.1瞬态光栅中的光场调制

2.1.2瞬态光栅中的布拉格衍射

2.1.3瞬态光栅中激发光偏振对极化场的影响

2.1.4四波混频中的能量守恒与相位匹配

2.2光学外差探测技术

2.3冲击受激光散射实验装置物理设计

2.4本章小结

第3章 纳秒冲击受激光散射的热光栅研究

3.1纳秒冲击受激光散射系统的搭建

3.1.1飞秒激光烧蚀制作光栅分束镜

3.1.2纳秒冲击受激光散射系统的搭建

3.2有机溶液和有机介质膜的热光栅实验研究

3.2.1二硫化碳－酒精－甲基红溶液的冲击受激热散射

3.2.2DEA-Rh6G溶液的冲击受激热散射

3.2.35(6)-羧基荧光素薄膜的冲击受激热散射

3.3本章小结

第4章 基于飞秒冲击受激光散射的静高压声速测量

4.1飞秒冲击受激光散射系统的搭建

4.2常压下基于冲击受激光散射技术的液体声速测量

4.2.1IR780-异丙醇溶液的冲击受激光散射

4.2.2IR780-甲醇溶液的冲击受激光散射

4.2.3IR780-乙醇溶液的冲击受激光散射

4.2.4IR780-PMMA溶液的冲击受激光散射

4.3DAC加载下IR780-乙醇溶液的静高压声速测量

4.4本章小结

结论

课题展望：

参考文献

声明

致谢