光声效应与光声光谱

光声效应

光声效应是在1880年由A.G.贝尔发现的。

机理：当物质受到光照射时,物质因吸收光能而受激发，然后通过非辐射消除激发的过程使吸收的光能（全部或部分）转变为热。如果照射的光束经过周期性的强度调制，则在物质内产生周期性的温度变化，使这部分物质及其邻近媒质热胀冷缩而产生应力（或压力）的周期性变化，因而产生声信号，此种信号称光声信号。光声信号的频率与光调制频率相同，其强度和相位则决定于物质的光学、热学、弹性和几何的特性。

光声光谱技术。由于光声效应中产生的声能直接正比于物质吸收的光能，而不同成分的物质在不同光波波长处出现吸收峰值，因此当具有多谱线（或连续光谱）的光源以不同波长的光束相继照射样品时，样品内不同成分的物质将在与各自的吸收峰相对应的光波波长处产生光声信号极大值，由此得到光声信号随光波波长改变的曲线称为光声谱。

光声光谱实际上代表物质的光吸收谱，因此利用光声效应可以检测物质的组分。由此研制成功一种新的光谱分析的工具──光声光谱仪，它广泛用于气体及各种凝聚态物质的微量甚至痕量分析。由于它的检测灵敏度高，特别是由于它对样品材料没有限制，不论透明或不透明、固体或半固体（包括粉末、污迹、乳胶或生物样品等）都可以进行分析，从而成为传统光谱技术的补充和强有力的竞争者。

光声光谱是直接探测无辐射跃迁过程的唯一手段，70年代以来已发展成一个专门的研究领域，研究对象涉及物理、化学、生物、材料等学科，并且能给半导体工业和微电子工业的研究提供一种新的研究和检测手段。

光声光谱直接测量光束与材料相互作用后所吸收的热量，显然，它是光谱技术与量热技术组合。同传统的光谱技术相比较。光声光谱技术具有下列特点：

（1）直接测量光束与材料相互作用后所吸收的热量；

（2）对散射光不敏感；

（3）样品本身就是电磁辐射的检测器。

光声光谱技术本身的特点使得它能胜任传统光谱技术难于完成或不能完成的某些工作，如：（1）直接探测无辐射过程，更准确地得到量子效率的数据；

（2）因为对散射光不敏感，可以获得强散射物质(如粉末、非晶固体、冻胶和胶体等)的吸收光谱；激发态寿命；甚至完全不透明材料的吸收光谱；

（3）因为不依赖于光子检测技术，可以得到弱吸收材料的光谱信息；

（4）可以进行各种非波谱学的研究，如测定材料的热学和弹性性质；研究化学反应；测定多层结构和薄膜的厚度等；

（5）因为对样品无特殊要求，可以方便地应用于各个领域，如凝聚态物理、化学、生物学、医学研究等；

（6）不需光电器件，因而不必改变检测系统就可以在很宽的波长范围工作。仅仅要求：光源足够强，窗口透过率高。

光声光谱仪

原理:

根据光声效应原理研制成功的。当物质吸收周期性调制的光能后，转变为热能。周期性热流使周围介质热胀冷缩而产生声信号，即为光声信号。不同组分和结构的物质吸收不同波长的光能，因此当照射于物质的光波波长改变时，声信号的变化反映了物质的不同组分或结构。由于光声光谱技术所检测的是样品吸收的光能与物质相互作用后产生的声能，在照射的光强比较弱的情况下，光声效应满足线性关系，即声信号强度与光强成正比，因此光声光谱技术对物质的结构和组分是非常敏感的。且对样品的形状无特殊要求，可以用于气体、固体和液体的微量分析。由于光声光谱对散射光和反射光不敏感，特别适用于颗粒、粉末、污迹和混浊液体等物质的检测与分析。

另一方面，由于物质吸收周期性调制的光能后转变为周期性变化的热能，亦称热波，所产生的效应称为光热效应。热波传播速度很慢，且是高衰减波，所以只能传播约一个热波波长的距离。在热波传播的过程中，不同位置的热源产生的声信号具有不同的相位，因此光声信号除振幅的变化之外，还有相位的变化。因此，通常光声光谱仪有两个通道输出：振幅输出和相位输出。前者对所测物质的组分（即热源强度）非常敏感，后者则对所测物质的结构（即热源的位置）特别敏感。

二、仪器结构和配置

光声光谱仪由单光路系统组成，系统大为简化，并对辐射光源强度要求降低50％以上。从功能上可分为三部分：

1.辐射源：包括氙灯系统，单色仪系统，斩光器系统和聚光镜系统。（激光源、谐振环）

2.光声盒：包括样品池，传声器和前置放大器。

3.信号处理和记录：包括锁相放大器和微型计算机

三、性能指标

光声光谱仪采用单光束结构，降低对光源高强度的要求，且光路简化。信号输出端与计算机连接，由计算机控制对光谱进行扫描、并同时采样。测试样品时可同时对光源光谱实行归一化等处理并保存。因此，结构简单、操作方便。

主要性能指标：

1.光谱范围：可见光范围300-750 nm近红外范围700-1200nm

2.光谱分辨率：2 nm。

3.测量最大偏差：±1.5％。

4.波长读数精度：＜l nm。

5.调制频率：5－200 Hz连续可调（通常选用15 Hz－30Hz）。

四、用途

由于光声光谱技术可对任意的样品进行检测分析，包括气体、液体和固体(晶体、粉末或凝胶)样品，并且只需要极少量样品就可以进行微量分析。因此广泛用于物理、化学、材料科学、生物医学、农业和环境科学等各领域的研究和分析。由于气体、液体和固体试样的光吸收波长范围、以及放置样品的光声盒结构等的要求各不相同，因此适用于气体、液体和固体的光声光谱仪的结构也不尽相同。