光聲光譜儀的原理及應(yīng)用

光聲效應(yīng)

放在密閉容器里的試樣，當(dāng)用經(jīng)過斬波器調(diào)制的強(qiáng)度以一定頻率周期變化的光照射時(shí)，容器內(nèi)能產(chǎn)生同與斬波器頻率的聲波。這一現(xiàn)象稱為光聲效應(yīng)[3]  。

光聲效應(yīng)描述的是光與物質(zhì)之間的相互作用，即當(dāng)一束調(diào)制或脈沖激光照射到組織樣品上時(shí)，

位于組織體內(nèi)的吸收體在吸收光能后出現(xiàn)局部熱膨脹，從而產(chǎn)生超聲波將光能轉(zhuǎn)換成聲能，形成外傳超聲波，這種超聲波容易被置于組織體周圍的超聲探測(cè)器所接收。在入射激光波長不斷改變的過程中，探測(cè)器所接收到的光聲信號(hào)的強(qiáng)弱也將會(huì)隨著吸收體的吸收譜發(fā)生對(duì)應(yīng)的改變，從而獲得相應(yīng)的光聲信號(hào)譜，原理如圖1所示。這種光能轉(zhuǎn)換成聲能的能 力，不僅取決于光子特性，而且也體現(xiàn)了被測(cè)物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)（導(dǎo)熱性、熱擴(kuò)散率、比熱等）及光譜學(xué)性質(zhì)，因此，能夠通過對(duì)光轉(zhuǎn)換成聲的能力大小的探測(cè)來確定物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)和光譜學(xué)性質(zhì)。

光聲光譜

當(dāng)物質(zhì)吸收光收到激發(fā)后，返回初始態(tài)可通過輻射躍遷或無輻射躍遷。前一過程產(chǎn)生熒光或磷光，后一過程則產(chǎn)生熱。因?yàn)槲展鈴?qiáng)呈周期性變化，容器內(nèi)壓力漲落也呈周期性。當(dāng)試樣是氣體或液體時(shí)，其本身就是壓力介質(zhì)。由于調(diào)制光的頻率一般位于聲頻范圍內(nèi)，所以這種壓力漲落就成為聲波，從而能被聲敏元件所感知。聲敏元件所感知的聲波信號(hào)經(jīng)同步放大得到的電信號(hào)為光信號(hào)。若將光聲信號(hào)作為入射光頻率的函數(shù)記錄下來，就可獲得光聲光譜圖。

    應(yīng)用

由于光聲光譜測(cè)量的是樣品吸收光能的大小，因而反射光、散射光等對(duì)測(cè)量干擾很小，故光聲光譜適于測(cè)量高散射樣品、不透光樣品、吸收光強(qiáng)與入射光強(qiáng)比值很小的弱吸收樣品和低濃度樣品等，而且樣品無論是晶體、粉末、膠體等均可測(cè)量，這是普通光譜做不到的。光聲效應(yīng)與調(diào)制頻率有關(guān)，改變調(diào)制頻率可獲得樣品表面不同深度的信息，所以它是提供表面不同深度結(jié)構(gòu)信息的無損探測(cè)方法。

光聲光譜學(xué)是光譜技術(shù)與量熱技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的檢測(cè)物質(zhì)和研究物質(zhì)性能的新方法。光聲技術(shù)在不斷發(fā)展，已出現(xiàn)適用于氣體分析的二氧化碳激光光源紅外光聲光譜儀 ，適用于固體和液體分析的氙燈紫外-可見光聲光譜儀 ，以及傅里葉變換光聲光譜儀。光熱偏轉(zhuǎn)光譜法、光聲拉曼光譜法、光聲顯微鏡、激光熱透鏡法及熱波成像技術(shù)都在迅速發(fā)展。光聲光譜技術(shù)在物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)[8]  、地質(zhì)學(xué)、材料科學(xué)、智能電網(wǎng)中變壓器在線監(jiān)測(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用