Импульсно-лазерное возбуждение и прохождение ультразвуковых волн через наномагнитную жидкость

Магнитные жидкости относятся к классу наноматериалов, обладающих высоким коэффициентом поглощения света, агрегативной и седиментационной устойчивостью, а также управляемостью внешними полями, что представляет интерес для использования в области оптоакустики. Цель работы состояла в экспериментальном исследовании эффекта оптоакустического преобразования в магнитной жидкости в зависимости от концентрации дисперсной фазы и способа воздействия на неё лазерного излучения, а также выявления возможностей использования магнитной жидкости в качестве элемента оптоакустического преобразования в ряде приложений.

Проведён краткий анализ механизма оптоакустического преобразования в магнитной жидкости и разработана методика и установка, реализующая теневой вариант измерений, где в качестве источника импульсно-лазерного воздействия на магнитную жидкость использован лазер типа Lotis. В качестве материала световода, передающего энергию лазерного излучения в магнитной жидкости, использованы кварц и воздух. Приём ультразвуковых сигналов производился пьезопреобразователем на рабочей частоте 5 МГц. В процессе измерений варьировалась концентрация дисперсной фазы в магнитной жидкости (0–8 %) и энергия в импульсе (0–10 мДж).

Впервые установлено, что: а) амплитуда функции оптоакустического преобразования в магнитной жидкости в зависимости от концентрации дисперсной фазы, имеет максимум, величина и положение которого на оси концентраций определяется свойствами световода; б) для всех образцов в пределах погрешности измерений установлена квазилинейная зависимость указанной амплитуды от энергии в импульсе в диапазоне 0–8 мДж.

Предложен ряд схемных решений использования эффекта оптоакустического преобразования в магнитной жидкости для ввода сигнала в исследуемые объекты – применительно к их дефектоскопии и структуроскопии, а также для решения обратной задачи – измерения интенсивности лазерного излучения.

1. Jean-Pierre Minchalin, Laser ultrasonics: from the laboratory to industry. Rev. of Progress in Quantitative NDE, 2003, no. 23A, рр. 3–31.

2. Gusev V.E., Karabutov A.A. Laser optoacaby. Moscow: Science Publ., 1991, 304 p.

3. Gurevich S.Yu., Petrov V.Yu., Golubev A.A., Shulginov A. Ema-registration of Lamb ultrasonic waves, excited by laser nano-views. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2013, vol. 49, iss. 8, pp. 431–435. DOI: 10.1134/S1061830913080056

4. Khokhlova T.D., Pelivanov I.M., Karabutov A.A. Methods of optical-acoustic diagnostics of biotcaken. Akust. journal, 2009, vol. 55, no. 4–5, pp. 672–683.

5. Filimonova T.A., Volkov D.S., Proskurnin M.A., Pelivanov I.M. Optoacoustic spectroscopy for realtime monitoring of strongly light-absorbing solutions in applications to analytical chemistry. Photoacoustics, 2013, vol. 1, iss. 3–4, pp. 54–61. DOI: 10.1016/j.pacs.2013.08.002

6. Spirou G.M., Oraevsky A.A., Vitkin I.A., Whelan W.M. Optical and acoustic properties at 1064 nm of polyvinyl chloride-plastisol for use as a tissue phantom in biomedical optoacoustics. Phys. Med. Biol., 2005, vol. 50, no. 14, pp. 141–153. DOI: 10.1088/0031-9155/50/14/N01

7. Blum E.Ya., Maiorov M.M., Cebers A.O. Magnitnie jidkosti [Magnetic fluids], Riga: Zinatne Publ., 1989, 389 p.

8. Baev A.R., Konovalov G.E., Maiorov A.L. Magnitnie jidkosti v tehnicheskoi akustike i nerazrushayuschemkontrolepodred. P.P. Prohorenko [Magnetic fl in technical acoustics and non-destructive testing ed. P.P. Prohorenko], Minsk: Tehnalogiya Publ., 1999, 300 p.

9. Yong Zhao, Riqing Lv, Yuyan Zhang, Qi Wang. Novel optical devices based on the transmission properties of magnetic fluid and their characteristics. Optics and lasers in engineering, 2012, vol. 50, iss. 9, pp. 1177– 1184. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2012.03.012

10. Yang X., Liu Y., Zheng Y., Li S., Yuan L., Yuan T., Tong C. A capillary optical fiber modulator derivates from magnetic fields. Optics Communications, 2013, vol. 304, pp. 83–86. DOI: 10.1016/j.optcom.2013.04.038

11. Yong Zhao, Yuyan Zhang, Riqing Lv, Qi Wang. Novel optical devices based on the tunable refractive index of magnetic fluid and their characteristics. J. Mag. Mag. Mater., 2011, vol. 323, iss. 23, pp. 2987–2996. DOI: 10.1016/j.jmmm.2011.06.025

12. Li Y., Zhang H., Yang Z., Yuan B., Yuan Z., Xue H. Incident-power-dependent optical transmission properties of magnetic fluid films. Optik., 2018, vol. 172, pp. 730–735. DOI: 10.1016/j.ijleo.2018.07.042

13. Baev A.R., Karabutov A. A., Podimova N.B., Prohorenko P.P. Osobennosti vozbujdeniya uprugih voln v magnitnih jidkostyah lazernim izlucheniem [Features of excitation of elastic waves in magnetic liquids by laser radiation]. Magnitnaya gidrodinamika [Magnetic gtdrodynamics], 1996, no. 3, pp. 23–30 (in Russian).

14. Sokolovskaya Yu. G., Podimova N.B., Karabutov A.A. Issledovanie strukturnoj neodnorodnosti magnitnoj zhidkosti posredstvom vosstanovleniya prostranstvennogo raspredeleniya koefficienta ekstinkcii sveta s ispol'zovaniem lazernogo optiko-akusticheskogo metoda [Investigation of the structural inhomogeneity of a magnetic fluid by reconstructing the spatial distribution of the extinction coefficient of light using a laser opticalacoustic method]. Akusticheskij zhurnal [Acoustic], 2020, vol. 66, no. 3, pp. 284–293. DOI: 10.31857/S0320791920030065