脉冲激光在液体环境中的光声效应研究

摘要

光声效应是指物质受到脉冲光或调制光作用时产生声信号的现象，其产生的声波具有频谱宽，高空间分辨率，远距离激发，抗干扰能力强，不受检测环境限制等特点，因此已经广泛应用于工业材料的无损检测等多个领域。目前，对海洋的开发和利用已提高到国家战略要求，脉冲激光光致声波有望在海洋探测中发挥作用，已成为当今科学研究中非常有意义的工作之一。
　　首先本文对液体及固体光声产生机制做了总结，液体的光声产生机制包括热膨胀机制、汽化机制和介质击穿机制；固体的光声产生机制包括热膨胀机制和等离子体机制。本文采用了非耦合快速热膨胀球状模型来分析液体中热膨胀机制产生声波的情况。
　　实验部分主要运用纳秒和飞秒脉冲激光研究了不同浓度盐水以及铜、铝、碳钢等金属靶材在液体环境中受到脉冲激光激发所产生的声波信号情况。实验中通过改变激光的强度以及水听器的探测位置，观察声波信号的变化情况，并对其做了快速傅里叶变换（FFT）以获得信号频谱，进行了详细对比分析。
　　实验发现所有实验样品产生的光声信号的强度都与激光强度成正比。其中水产生的光声信号强度沿传播方向上是以指数形式衰减的，且在低频和高频部分衰减较快。随着光强的增加，光声信号的主频向低频方向移动。不同浓度的盐水，产生的光声信号频谱存在较大差异，这主要是因为浓度改变了其光声源的结构，造成了对光的不同吸收。在特定浓度下，盐水会对激光产生共振吸收，使得到的光声信号显著增强。对于金属样品，在纳秒激光激发下的光声信号基本类似，但不同的样品有着不同的主频。三种金属样品在相同光功率的飞秒激光和纳秒激光激发下所得的光声信号存在较大差异，这说明了光声信号不仅与激光的功率有关，也与激发光源的脉宽以及峰值功率等因素相关。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 光声效应研究的发展历程

1.3 光声效应的应用

1.4 本论文的主要研究内容

第2章 液体及固体光声效应的理论基础

2.1 液体中的光声效应

2.2 固体中的光声效应

2.3 本章小结

第3章 液体的光声效应实验研究

3.1 实验方案

3.2 水的光声效应研究

3.3 盐水的光声效应研究

3.4 本章小结

第4章液体中金属靶材的光声效应

4.1 纳秒激光激发金属靶材产生声波研究

4.2 纳秒激光激发下铜、铝、碳钢的光声频谱对比

4.3 飞秒激光激发金属靶材产生声波研究

4.4 飞秒激光激发下铜、铝和碳钢的光声频谱对比

4.5 纳秒和飞秒激光激发下的频谱对比

4.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢