Бесконтактная диагностика жидкостей и их слоев на основе термокапиллярного эффекта, индуцированного пучком лазера

• Автор: Тарасов, Олег Александрович
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Тюмень
• Количество страниц: 200 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕИ
ГЛАВА I.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Классификация типов конвекции.

1.2. Классические капиллярные эффекты

1.3. Влияние термогравитационного механизма

на термокапиллярную конвекцию.

1.4. Нестационарная термокапиллярная конвекция.

1.5. Термокапиллярная конвекция при неоднородном нагреве.

1.6. Фотоиндуцированная термокапиллярная конвекция.

1.7. Механизм фотоиндуцированной термокапиллярной конвекции

1.8. Поле скоростей термокапиллярного вихря
1.9. ТК отклик и его связь с профилем ТК углубления
1 Зависимость ТК отклика от характеристик жидкости
и параметров ее слоя
1 Капиллярная конвекция в современных наукоемких технологиях.
1 Роль капиллярной конвекции в космическом материаловедении
ГЛАВА II.
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕРМОКАПИЛЛЯРНОГО УГЛУБЛЕНИЯ В ЖИДКОМ СЛОЕ НА БЕСКОНЕЧНО ПРОТЯЖЕННОЙ ПОДЛОЖКЕ.
2.1. Экспериментальная установка и методика эксперимента
2.2. Причины, приводящие к погрешности измерения диаметра отклика I 2.3. Зависимость диаметра отклика от толщины слоя жидкости.
2.4. Зависимость диаметра отклика от мощности лазерного пучка.
2.5. Связь критической толщины с мощностью лазерного пучка
2.6. Связь критической толщины с вязкостью жидкости.
2.7. Вид ТК отклика при капиллярном разрыве жидкого слоя
2.8. Зависимость диаметра отклика от положения экрана
по отношению к слою.
2.9. Расчет фокусного расстояния ТК углубления
2 Зависимость фокусного расстояния ТК зеркала от толщины слоя
и мощности индуцирующего пучка.
2 Зависимость горизонтального размера ТК углубления
от толщины слоя и мощности индуцирующего пучка
2 Метод бесконтактного измерения толщины
оптически прозрачного слоя жидкости.
2 Сравнение нового метода измерения толщины
с известными методами
ГЛАВА III.
АДДИТИВНОСТЬ ДИНАМИЧЕСКОЙ КРИВИЗНЫ ТЕРМОКАПИЛЛЯРНОГО УГЛУБЛЕНИЯ
И СТАТИЧЕСКОЙ КРИВИЗНЫ ЖИДКОГО МЕНИСКА.
3.1. Кривизна межфазной поверхности жидкостьгаз.
3.2. Аддитивность динамической и статической кривизны
свободной поверхности жидкости.
3.3. Экспериментальная установка.
3.4. Влияние статической кривизны поверхности жидкости
на диаметры отклика для ограниченного и неограниченного по горизонтали слоя
3.5. Оценка радиусов кривизны свободной поверхности
для ограниченного и неограниченного слоя.
3.6. Доказательство аддитивности статической и динамической кривизны.
3.7. Контроль плоскостности свободной поверхности жидкости.
3.8. Сравнение предложенного метода контроля плоскостности
с известными методами
Выводы.
ГЛАВА IV.
УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ МЕТОД НАКЛОННОЙ
ПЛАСТИНКИ ИЗМЕРЕНИЯ КРАЕВОГО УГЛА СМАЧИВАНИЯ
4.1. Методы измерения краевого угла смачивания
4.2. Анализ поведения мениска у пластинки
при различных способах ее наклона.
4.3. Экспериментальная установка и методика эксперимента
4.4. Результаты и их обсуждение.
4.5. Влияние поля скоростей ТК вихря на результат измерения
краевого угла смачивания
4.6. Рекомендации к применению усовершенствованного
метода наклонной пластинки
ГЛАВА V.
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ПОДЛОЖКИ В ВИДЕ ПРЯМОУГОЛЬНОГО БРУСКА НА ДИНАМИЧЕСКУЮ КРИВИЗНУ
ТЕРМОКАПИЛЛЯРНОГО УГЛУБЛЕНИЯ
5.1. Экспериментальная установка и методика эксперимента
5.2. Критерии выбора размеров подложкибруска.
5.3. Зависимость формы ТК отклика от толщины жидкого слоя
на подложкебруске
5.4. Зависимость формы отклика от расстояния между экраном и слоем
5.5. Зависимость фокусных расстояний ТК углубления
от толщины слоя жидкости на подложкебруске.
5.6. Влияние на форму отклика ширины подложки, вязкости жидкости
и мощности пучка
5.7. Влияние эллиптичности индуцирующего пучка на форму отклика
в случае слоя на подложкепластине и подложкебруске
5.8. Сравнение диаметров отклика в случае слоя на подложкепластине
и подложкебруске.
Приложение I. Физические характеристики используемых в экспериментах жидкостей и подложек.
Приложение II. Методы иеразрутающего контроля толщины
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Список литературы


В частности, разработано зеркалотрансформатор распределения интенсивности в пучке лазера. Цель работы исследование ТК конвекции, индуцированной лазерным пучком, и разработка на основе этого явления новых методов лазерной диагностики жидкостей и их слоев для физикохимического анализа в лабораториях и на производстве. Излагаемый в работе материал разбит на пять глав. В первой главе содержатся феноменологическое описание и физические основы явления ТК конвекции, вызванной тепловым действием лазерного излучения. Приведен критический обзор теоретических и экспериментальных работ по ТК конвекции. Во второй главе представлены результаты экспериментального исследования оптических свойств ТК углубления в зависимости от мощности индуцирующего пучка и толщины слоя жидкости. Изучено поведение тонких слоев жидкости при их ТК разрыве, и толстых слоев, в которых ТК течение практически не деформирует свободную поверхность жидкости. Полученные результаты использованы для разработки принципиально нового способа измерения толщины тонкого оптически прозрачного слоя жидкости . В третьей главе подтверждено свойство аддитивности статической кривизны жидкого мениска и динамической кривизны ТК углубления. Это свойство использовано для разработки способа контроля плоскостности свободной поверхности жидкости . В четвертой главе описан усовершенствованный метод наклонной пластинки измерения краевых углов смачивания, основанный на высокой чувствительности формы ТК отклика к статической кривизне жидкого мениска . Выполнен анализ поведения мениска при наклоне пластинки с различным по отношению к свободной поверхности положением оси вращения . В пятой главе исследовано влияние формы подложки на динамическую кривизну ТК углубления и на определяемую ей форму отклика. Полученные зависимости могут быть применены для разработки зеркалатрансформатора распределения интенсивности в лазерном пучке . В заключении обобщены выводы диссертационной работы. Проведено комплексное исследование ТК отклика в диапазоне толщин слоя жидкости и мощности пучка, начиная с момента обнаружения деформации свободной поверхности слоя и заканчивая ТК разрывом слоя, в зависимости от физикохимических свойств жидкости. Исследованы размер и форма ТК отклика в зависимости от толщины слоя и мощности индуцирующего конвекцию пучка для жидкостей различных химических классов. Изучено поведение ТК отклика при наличии одномерной статической кривизны свободной поверхности жидкости, возникающей вследствие смачивания двух плоскопараллельных пластинок из разных материалов жидкостями из разных классов. Доказано свойство аддитивности статической кривизны жидкого мениска и динамической кривизны ТК углубления. Продемонстрировано использование этого свойства для усовершенствования метода наклонной пластинки измерения краевого угла смачивания. Впервые проанализировано поведение мениска при наклоне пластинки с различным по отношению к поверхности раздела жидкостьгаз положением оси вращения пластинки при различных углах ее смачивания жидкостью. Исследовано влияние подложки в виде вытянутого бруска на динамическую кривизну ТК углубления и форму ТК отклика. Показано, что это влияние можно использовать для определения вязкости жидкости. Изучены оптические свойства центральной части ТК углубления в случаях плоскопараллельного слоя жидкости, одномерного статического мениска жидкости, слоя жидкости на подложкебруске, а также круглого и эллиптичного сечения индуцирующего пучка. По существу, разработан новый подход к лазерной диагностике жидкости, основанный на ее поверхностных свойствах, в отличие от традиционной лазерной спектроскопии, где используют зависимость от температуры объемных свойств вещества, рис. Практическая ценность. Разработан способ измерения толщины тонкого слоя прозрачной жидкости и способ бесконтактного контроля плоскостности свободной поверхности жидкости. Усовершенствован метод наклонной пластинки измерения краевого угла смачивания. Оптические свойства ТК углубления применены при разработке зеркалатрансформатора гауссова светового пучка и способа его изготовления.