Химия высоких энергий, 2020, T. 54, № 4, стр. 319-321

Образование и динамика развития газопаровых и кавитационных пузырьков в жидкости является предметом исследований многих научных дисциплин [1–3]. К настоящему времени широко используются различные методы определения размеров пузырьков, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с пузырьками – отражение, рассеяние и пропускание. Среди оптических методов широко применяются методы статического и динамического светорассеяния, дифракции лазерного излучения [4, 5]. В настоящем кратком сообщении мы предлагаем метод определения кинетики изменения размера короткоживущих пузырей в водных растворах на примере кавитационных пузырей размером от единиц до десятков мкм, генерируемых остросфокусированным фемтосекундным лазерным импульсом [2, 3, 6]. Определение динамики образования и схлопывания кавитационных пузырей может использоваться для оценки количества поглощенной энергии излучения и для определения плотности, вязкости и коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Динамика развития пузырей в однородной жидкости описывается уравнением Релея–Плессета (1) [7], которое учитывает плотность ρ, вязкость ν_L и коэффициент поверхностного натяжения жидкости σ при табличных значениях для воды при 20°С:

Предлагаемая методика основана на регистрации интерференционной картины в сигнале рассеяния пробного излучения на пузыре и параллельной регистрации изображения пузыря при достижении максимального размера в стробоскопическом режиме. Пузырек генерировали за счет оптического пробоя от одиночного лазерного импульса титан-сапфирового лазера (780 нм, 40 фс, 200 нДж) в капле водного раствора натрий-фосфатного буфера PBS (D4031, Sigma) в фокальной плоскости оптического микроскопа (40x, 0.75NA). Рассеянное на пузыре непрерывное излучение диодного лазера (445 нм, 80 мВт) регистрировали в оптической схеме обратного рассеяния с помощью фотоэлектрического умножителя и осциллографа. На рис. 1a показана кинетика рассеяния излучения при кавитации, где в момент t = 0.4 мкс наблюдается максимальная амплитуда сигнала. В кинетике сигнала рассеяния наблюдается структура повторяющихся пиков, которая обусловлена интерференцией рассеянного на пузыре пробного излучения. Изменение радиуса пузыря R(t) в процессе расширения или сжатия приводит к возникновению интерференционного максимума или минимума в рассеянии. Интервал между соседними минимумами и максимумами интенсивности соответствовал изменению радиуса пузыря ΔR(t) (2) на величину [4]:

где λ – длина волны пробного излучения (445 нм), n – относительный показатель преломления, равный 0.75 в случае газовых пузырей в воде. Минимальное значение периода осцилляций, которое можно было измерить таким методом, составляет около 10–15 нс.

Одновременно с этим, с помощью импульсной подсветки светодиодом со спектральным диапазоном 430–750 нм и длительностью импульса 3 мкс можно получить непосредственное изображение кавитационного пузыря в среде (рис. 1б). Изображение образца регистрировали с помощью CMOS-видеокамеры, работающей в режиме единичного кадра. Камера и светодиод срабатывали от внешнего триггерного сигнала. Импульсная подсветка позволяла фиксировать изображение пузыря в момент максимального расширения. Минимальные размеры пузырей, зарегистрированные таким образом, имеют размер около микрона.

Комбинируя результаты интерференционных измерений с прямым измерением максимального размера пузыря методом импульсного освещения, мы получали абсолютные значения радиуса пузыря R(t) (рис. 1в). Моделирование динамики расширения и сжатия кавитационного пузыря (рис. 1г) проводилось методом численного решения уравнения Релея–Плессета (1) в предположении незначительности давления внутри пузыря. Как видно, измеренная динамика развития пузыря хорошо соответствовала расчетной модели. Погрешность полученных результатов для радиуса кавитационного пузыря составляет 150 нм (5%).

В этой работе мы предложили экспериментальный метод, позволяющий детектировать динамику развития кавитационного пузыря, используя комбинацию flash-изображения и кинетику рассеяния зондирующего излучения на поверхности пузыря. Данный метод позволяет регистрировать динамику для каждого индивидуального случая. Методика апробирована в растворе PBS и показала, что полученная с помощью нее динамика хорошо соответствует теоретической модели Релея–Плессета.