Deslocamento termoelástico e efeitos de borda detectados por espelho fototérmico e interferometria

Abstract

Resumo: Um método óptico combinado do tipo pump-probe é proposto para investigar as propriedades físicas de metais, usando a detecção do deslocamento termoelás-tico da superfície induzida por laser por meio de medições simultâneas de Espelho Fototérmico e Interferometria. O deslocamento é monitorado pela análise das distorções da frente de onda dos feixes de prova refletidas da superfície da amostra. As propriedades físicas são obtidas fazendo a análise dos transientes juntamente com as descrições numéricas do deslocamento termoelás-tico e do aumento de temperatura na amostra e no ar ao redor. A influência dos efeitos de borda na mudança de fase fototermicamente induzido medido por um interferômetro também é demonstrada e comparada com descrições teóricas do deslocamento termoelástico da superfície de metais. A geometria finita das amostras é crucial para determinar a distribuição da temperatura no material e seu efeito nas medições do deslocamento de fase do interferômetro. A mudança no caminho óptico devido à deformação termoelástica e à lente térmica no ar são decodificadas a partir do sinal interferométrico usando ferramentas analíticas e numéricas. Os efeitos de borda se mostraram cruciais para descrever adequadamente os sinais interferométricos e as ferramentas de detecção desenvolvidas fornecem uma base para o estudo dos efeitos de tamanho finito no transporte de calor em materiais opacos e são aplicáveis a mecanismos de detecção similares em tecnologias de base fototérmica.

Abstract: A combined pump-probe optical method is proposed to investigate physical properties of metals by demonstrating single-shot simultaneous laser-induced ther-moelastic surface displacement detection by concurrent measurements using Photothermal Mirror and Interferometry. Surface displacement is probed by analyzing the wavefront distortions of the probe beams reflected from the sample's surface. Physical properties are retrieved through transient analysis in combination with numerical descriptions of thermoelastic displacement and temperature rise in the sample and surrounding air. The influence of edge effects on the photothermally-induced phase shift measured by a homodyne quadrature laser interferometer is also demonstrated and compared with theoretical descriptions of thermoelastic surface displacement of metals. Finite geometry of the samples is crucial in determining the temperature distribution across the material and its effect on the interferometer phase shift measurements. The optical path changes due to thermoelastic deformation and thermal lens are decoded from the interferometric signal using analytical and numerical tools. Edge effects are found to be crucial to properly describe the interferometric signals and the tools developed provide a framework for the study of finite size effects in heat transport in opaque materials and are applicable to similar detection mechanisms in photothermal-based technologies.