Resumo: Este trabalho apresenta um estudo teórico e experimental do efeito de acoplamento térmico entre amostra sólida e fluido adjacente nas técnicas de Lente Térmica (LT) e de Espelho Térmico (ET). A equação de difusão de calor é resolvida para obter uma solução semianalítica para a temperatura na amostra e no fluido considerando a excitação laser contínua e a pulsada. A equação termoelástica é utilizada para a obtenção da deformação induzida na superfície da amostra. As soluções para a temperatura e a deformação superficial, considerando amostras com baixa absorção óptica ( ) e com alta absorção óptica ( ), apresentam ótima concordância com os resultados obtidos por meio de Método de Elementos Finitos (MEF). As soluções são utilizadas para modelar os efeitos de LT e ET, considerando tanto a contribuição da amostra quanto a do fluido. Como resultado, verifica-se que a transferência de calor de uma amostra para o ar não expressa diferença relevante na mudança de fase do feixe de prova quando comparada com a solução sem fluxo de calor, a não ser no caso de amostras extremamente finas. Porém, quando a água é utilizada como fluido circundante à amostra, um efeito significante de mudança de fase surge no feixe de prova devido ao fluido. Resultados experimentais em aço inoxidável imerso em ar e em água são utilizados para demonstrar o potencial da técnica de ET para determinar as propriedades térmicas tanto da amostra quanto do fluido. Uma análise teórica do efeito da forma do pulso laser na técnica de ET é apresentada. Experimentos de ET em vidros ópticos mostram que a técnica é útil na determinação quantitativa da difusividade térmica de materiais com baixa absorção óptica.
Abstract: This work presents a theoretical and experimental study in Thermal Lens (TL) and Thermal Mirror (TM) techniques by taking sample-fluid heat coupling into account. The heat conduction equation is solved to obtain a semi-analytical solution to the temperature in the sample and in the surrounding fluid in the case of continuous and pulsed laser excitation. The thermoelastic equation is used to obtain the displacement induced on the sample surface. The solutions to the temperature and surface displacement, for samples with low optical absorption ( - ) and high optical absorption ( - ), are in excellent agreement with the results obtained using Finite Element Method (FEM). The solutions are used to model the TL and TM effects considering the contribution of the sample and the fluid. The heat transfer between the sample and the air coupling fluid does not introduce an important effect over the induced probe beam phase shift when compared to the solution obtained without considering axial heat flux, unless to extremely thin samples. However, when using water as the surrounding fluid, heat coupling led to a significant effect in fluid phase shift. Experimental results using stainless steel in air and water are used to demonstrate the potentiality of the TM technique to determine the thermal properties of both the sample and the fluid. A theoretical analysis of the pulse laser profile in the TM technique is presented. TM experiments performed in optical glasses show that the technique is useful for quantitative determination of the thermal diffusivity of materials with low optical absorption. |
