» » Пондеромоторное действие излучения
24.12.2014

В последнее время для измерения энергий ОКГ наряду с калориметрическими методами используются методы, основанные на эффекте давления электромагнитной волны. Соответствующие приборы представляют собой колебательную систему (например, крутильный маятник) с одной степенью свободы. Энергия импульса определяется по амплитуде колебаний, возникающих в системе под действием электромагнитной волны. В целом ряде экспериментов с пробными телами обнаружение действующей на тело слабой силы производится по малому отклонению светового луча, вызванному смещением тела.
В работе указано на один «паразитный» эффект, который проявляется при таких методах измерений. Под действием лазерного импульса рабочая пластинка крутильного маятника в измерителе энергии разогревается. Нестационарное температурное поле вызывает в пластинке термоупругие акустические волны, что в свою очередь может привести к возникновению колебаний системы в целом с некоторой амплитудой. Флуктуации имеющего в среднем постоянную интенсивность светового потока, падающего на пробное тело, также могут вызвать термоупругие волны.
Экспериментально возникновение температурных волн под действием мощных световых импульсов уже наблюдалось рядом авторов. Точный расчет указанного эффекта достаточно сложен, однако хорошая количественная оценка может быть получена при использовании следующей модели: два связанных последовательно осциллятора первоначально покоятся, затем пружина, соединяющая массы М и m, изменяет свою длину так, как это обусловливается законом теплового расширения, законы движения масс M и m находятся из системы уравнений
Пондеромоторное действие излучения

Здесь х1 и х2 — координаты соответственно М и m; K1, К2 — жесткости; α — коэффициент термического расширения; l — начальная величина разности (x2—x1), или, точнее, глубина прогревания; T(t) — закон изменения температуры пластинки.
Если температура скачком меняется до величины T0 и продолжает оставаться на этом уровне, то при условии, реализуемом на практике, К2≥К1; М≥m уравнения (5.88) дают амплитуду колебаний центра масс системы на частоте ω2≈К1/М порядка
Пондеромоторное действие излучения

(пренебрежем малыми членами порядка K1/K2; (m/М)2 и выше).
В реальной системе температура будет спадать до начального уровня. Если в качестве закона остывания взять экспоненциальную форму T(t)=T0e-t/t0, где — время остывания (отсчет температуры ведется от начального уровня, существовавшего до облучения), то амплитуда собственных колебаний центра масс, возникающих в системе, будет равна
Пондеромоторное действие излучения

здесь τ = 2π/ω — период колебаний центра масс. Таким образом, если время остывания меньше времени переходных процессов системы, определяемого периодом т, то амплитуда колебаний может быть уменьшена в 2π*t0/τ раз. В то же самое время амплитуда, приобретаемая системой под действием силы светового давления, равна
Пондеромоторное действие излучения

где w — энергия импульса, с — скорость света, R — коэффициент отражения.
Температура разогрева поверхности рабочей пластины может быть получена при решении соответствующей тепловой задачи:
Пондеромоторное действие излучения

где S — площадь свечения луча, tu — длительность облучения, A2 = χ/R0p — температуропроводность, k0 — теплопроводность, χ — теплоемкость, р — плотность материала рабочей пластинки.
При переходе ко второй форме записи полагалось Выражение (5.92) справедливо для не слишком коротких импульсов, а именно для импульсов, в течение которых тепловой поток в рассматриваемом материале успевает распространиться на расстояние l≈√2A√tu, значительно (например, в 10 раз) превышающее толщину прозрачности данного вещества ≈1/β, где β — коэффициент поглощения.
Для металлов существующие длительности лазерных импульсов позволяют использовать выражение (5.92).
Для оценки относительной величины теплового эффекта имеем
Пондеромоторное действие излучения

(уменьшением температуры при продвижении в глубь образца пренебрегали).
Описанный эффект может ограничить применения пондеромоторных измерителей мощности, особенно в миллиметровом диапазоне длин волн. Кварцевая пластина, используемая в этих приборах в качестве регистрирующей колебательной системы, имеет собственную частоту порядка нескольких мегагерц. В сантиметровом диапазоне можно иметь относительно больший коэффициент отражения, что снимает опасность ошибок, вызванных этим эффектом, вдали от критических частот волноводных систем, когда поглощение мало.
Соотношение (5.93), определяющее относительное влияние силовых воздействий на пробное тело, вызванных световым давлением и термоупругим эффектом, будет применимо и в том случае, если нас будет интересовать флуктуационное воздействие, порожденное непостоянством светового потока. Таким образом, в тонких физических экспериментах, в которых малые колебания пробных тел регистрируются по модуляции световых потоков, механическое воздействие на пробное тело флуктуирующего светового потока может оказаться слабее, чем воздействие, вызванное термоупругим эффектом.