光声效应与光声光谱
光声光谱技术
光声效应的产生首先必须要有光的吸收。
气体光声检测技术本质上基于气体红外吸收理论，它对气体的检测依赖于气体的红外特征吸收谱线，其定量测量则更是以气体的红外吸收定律为基础的。
光声光谱技术在实现方式上与红外吸收技术不同，其主要区别在于，虽然入射能量也是以光谱光子的形式出现，但对光子与被测材料相互作用的研究，并非依靠对某些光子(透射光子或散射光子)的检测和分析，而是根据声信号间接测量材料与光束相互作用后所吸收的能量。
光声光谱技术是一种理想的无背景噪声信号技术，具有较高灵敏度和良好选择性。
与传统光谱分析方法不同，光声光谱技术是监测物体吸收光能后产生的热能中以声压形式表现出来的那部分能量，即使在高反射弱吸收的情况下，吸收能也可被微音器检测。
与其它气体检测方法相比较，光声光谱技术的主要优点是：长期稳定性好、灵敏度高；不消耗气样，如载气、标气；检测时间短，便于现场检测；适于多种气体成分的检测；系统结构简单。
原理：密闭在光声池中的气体分子吸收特定频率ν 的入射光后由基态E0跃迁至激发态E1，两能级间的能量差为E1- E0 = hν。
受激分子与周围气体分子相碰撞，由激发态返回至基态，并将吸收的光能通过无辐射弛豫过程转变为碰撞分子间的平移动能，具体表现为气体温度升高，即加热。
当入射光强度受到频率ω的调制时，加热过程将产生周期性变化。
根据气体热力学定律，周期性温度变化产生同周期压力波动，即声波，此声波可通过安装在光声池上的微音器或压电陶瓷传声器检测，并将其转换成电信号，即光声信号，该信号的产生过程称为光声效应。
光声信号的大小与气体浓度成正比，通过检测该信号值便可得到被测气体的浓度。
能级跃迁所需能量不同，故需不同波长电磁辐射使其跃迁，即在不同光谱区出现吸收谱带。
电子能级跃迁对应吸收光谱在紫外区和可见光区；原子振动能级跃迁对应于近红外区和中红外区；分子转动能级跃迁对应于远红外区和微波区。
应用光声光谱法检测气体浓度主要利用分子红外光谱。
光声光谱的原理与应用
光声光谱的原理与应用1. 光声光谱的基本原理光声光谱（Photoacoustic Spectroscopy，简称PAS）是一种利用光声效应来研究材料的物理性质和化学反应的技术。
它结合了光学和声学的优点，通过测量由光热效应引起的声波信号的特性来分析物质的组成、结构和浓度。
光声光谱的基本原理如下：•光吸收：当物质被激发后，吸收入射光的能量。
•光热效应：吸收的光能被转化为热能，导致物质温度升高。
•热膨胀：高温下，物质体积膨胀，产生声波。
•声波检测：使用超声传感器等装置检测物质产生的声波信号。
•光声信号分析：对声波信号进行分析，得到有关物质的信息。
2. 光声光谱的应用领域光声光谱的独特优势使得它在许多领域得到广泛应用。
以下是几个典型的应用领域：2.1 医学领域•生物组织成像：光声光谱可用于非侵入性的生物组织成像，以获得组织的形态、功能和代谢信息。
•肿瘤检测：通过对肿瘤组织的光声信号进行分析，可以实现肿瘤的早期检测和定位。
•药物递送：光声光谱可以用于监测药物在生物体内的分布和释放过程，提高药物递送的精确性和效率。
2.2 环境监测•大气污染监测：光声光谱可以用于监测大气中有害气体的浓度和分布，为环境保护提供重要依据。
•水质分析：利用光声光谱可以检测水中有机物和无机物的浓度，帮助保护水资源。
2.3 材料科学•光声检测：光声光谱可用于材料的表征和质量检测，如薄膜的厚度测量、光学透明度的测定等。
•光声显微镜：通过结合光学显微镜和光声技术，可以观察材料微观结构和性质。
3. 光声光谱的优势光声光谱相比于传统的光谱分析方法具有以下几个优势：•高灵敏度：光声效应可以将光能转化为声波信号，提高了信号的检测灵敏度。
•非侵入性：光声光谱无需对物质进行特殊处理，可以对生物组织等敏感样品进行非侵入性测试。
•多参数分析：光声光谱可以同时获得物质的光学和声学信息，能够提供更多的参数用于分析。
•宽波长范围：光声光谱可以在紫外、可见、近红外等波段进行光学激发，适用于多种物质的分析。
光声光谱ppt
应用二、 应用二、气体检测
变压器油中溶解气体分析是判断油浸式电力变压 器早期潜伏性故障最方便、最有效地方法之一。
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应用三： 应用三：光声成像
在生物组织的光声成像中，通常使用非电离辐射（如激光 或微波脉冲）照射组织。根据光声效应，组织吸收电磁能量并 产生热膨胀，从而激发出兆赫兹级的超声波（光声波）。光声 波携带了组织的电磁吸收分布特性，使用超声换能器探测到光 声波后，就可采用相应的图像重建算法计算出组织内部的电磁 吸收分布图像。 以上过程可分为以下3个步骤：1、脉冲光辐照生物组 织，组织内吸收体吸收光能量；2、基于热弹性机制的光致 超声过程；3、本地光声信号的外传与探测。
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2004 年Yin 和Zeng 等采用多元线性阵列探测器相控聚焦光声成像方法， 实现了高分辨率的模拟组织光声成像。 2005年，英国Kelman公司推出基于光声光谱的变压器油中气体检测分 析仪。同年，Anatoliy A.Kosterev等人应用石英增强光声光谱的方法 （QEPAS），用一个微型的石英音叉代替麦克风，有效地屏蔽了外界 噪声，对氨气的检测灵敏度达到了650ppb。
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光声腔
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光声腔
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应用一： 应用一：样品物理量参数测定
1977年，Adams和Kirkbright，首次采用光声相位 测定了铜片的热扩散率 1978-1980年 Teng.Y.C（美）等，利用光声相位 和振幅信息得到样品的绝对吸光系数 1980年，Quimby R.S等提出利用光声相位测定量 子效率 1983年，Virokuorv，光声相位法测得钢质式样的 热扩散率，并发现相位差主要来源于三个方面。
光声光谱的原理与应用-李子忠
2.2表面研究
• 用光声光谱研究金属、半导体和绝缘体表 面的吸附和化学吸着具有很大的优点，并 能在任何波长下进行。薄层色层法(TLC)是 一种应用广泛的技术，然而直接在薄层板 上作定量鉴定却十分困难(除某些会发萤光 或采用双波长法外)，特别是板上的硅胶G 吸附剂具有不透明和光散射性质。光声光 谱则提供了一种简便和灵敏的鉴定方法。
光声光谱的原理及应用
光学工程 李子忠 6121203010
主要内容
• 1.光声光谱原理 • 2.光声光谱应用
1、光声光谱原理
• 光声光谱测试的物理基础是光—声效应，其测试 原理图如下：（来自文献：许倩雯，袁骏，季振 国，等.材料科学与工程[J].1999,17(4):80）
1.光声光谱原理
• 在测试过程中, 样品被放在一个密封气室(即光声池Photo acoustic cell)内, 在光声池内同时配置一高灵敏度的传声 器。样品被脉冲单色光照射, 吸收光中的能量, 样品内一部 分能级会被激发, 激发的能级随即会产生无幅射弛豫现象, 由此产生热效应。这样周期性的光激励就会在样品及其周 围空气中产生周期性热流, 反过来, 周期性热流又导致了样 品晶格的周期性振动, 这种振动在样品- 气体界面上产生声 压扰动, 通过空气传播, 高灵敏度的传声器就能检测到由此 引起的声信号。因为声信号的强度与样品吸收光的能量成 正比, 所以我们记录传声器声信号随激励光波长的变化就 可以得到光声光谱。另外, 考虑到只有被吸收的光才能产 生声信号, 散射光在此就可以忽略, 因而可以提高测试的信 背比。
图5是光声光谱研究绝缘体Cr2O3的例子（来自文献：A.罗森 威格著，王耀俊等译.光声学和光声谱学.北京:科学出版社， 1986.161.201~205，216~235）
光声光谱技术在化学测量中的应用
光声光谱技术在化学测量中的应用随着科技的不断进步和发展，光声光谱技术作为一种新型的非侵入性测量技术，逐渐成为许多领域中的研究热点。
光声光谱技术结合了光学和声学的优势，具有高灵敏度、高分辨率和无损测量等优点。
本文将重点探讨光声光谱技术在化学测量中的应用。
一、光声光谱技术的原理光声光谱技术基于光声效应，即光能被吸收后转化为声能。
当样品被激光照射后，光学吸收引起的热扩散将产生声波信号，并通过传感器检测。
根据声波信号的特点，可以获得样品的吸光度和光学性质等信息。
光声光谱技术具有高灵敏度和光谱分辨率高的特点，可以实现对样品中微量物质的非侵入性测量。
二、光声光谱技术在化学分析中的应用1. 化学物质的定性与定量分析光声光谱技术可以准确测量样品中的吸光度，并由此推断出样品中存在的化学物质。
通过与标准样品比对，可以实现对未知物质的定性分析，并根据吸光度的大小实现对物质浓度的定量测量。
这种非侵入性的测量方法在化学分析领域具有巨大的潜力，可以广泛应用于药物分析、环境监测等领域。
2. 化学反应的研究光声光谱技术可以实时监测化学反应过程中的变化，通过测量样品中光声信号的强度和频率，可以获得反应速率、反应动力学等相关信息。
相比传统的光学方法，光声光谱技术对样品的要求更低，不受光学吸收和散射的影响，能够更准确地反映化学反应的实际情况。
3. 化学成像分析光声光谱技术结合成像技术，可以实现对样品内部结构的成像分析。
通过对不同位置的声波信号进行解析和处理，可以重构出样品的三维图像，进而实现对化学成分和形态结构的研究。
这种高分辨率的成像分析方法在材料科学、生物医学等领域具有广泛的应用前景。
4. 无损深层测量光声光谱技术具有光学深层探测的优点，可以准确测量样品内部的化学组分和光学性质。
相比传统的表面测量方法，光声光谱技术能够实现对样品内部细微结构和特性的无损测量，为化学研究提供了更多的可能性。
三、光声光谱技术面临的挑战与发展方向尽管光声光谱技术在化学测量中的应用前景广阔，但仍面临一些挑战。
光声光谱的原理与应用李子忠-PPT课件
对半导体材料，用光声光谱可以直接观测到直接和间接带的 跃迁，图3、图4为光声光谱研究半导体材料的一些例子。 （图3来自文献：Adams M.J.et al.，Analyst，101， 1199(1976)73；图4来自文献：Rosene waigA.， Anal.chem.，47，6(1975)592A）
图5是光声光谱研究绝缘体Cr2O3的例子（来自文献：A.罗森 威格著，王耀俊等译.光声学和光声谱学.北京:科学出版社， 1986.161.201~205，216~235）
• 其中曲线a表示3粉末在300k归一化的 光声光谱，b是厚度为4um的Cr2O3晶体在 300k的吸收光谱，c是Cr2O3粉末在300k的 漫反射光谱。从光谱图中都观察到Cr3+离子 在600nm和460nm的两个晶体场谱带，光 声谱比漫反射谱分辨得更清楚。
图2.线链一维导体K2Ir2（CO4）Cl5的光声光谱
• 图2是线链一维导体K2Ir2（CO4）Cl5的光声光谱 。这个化合物类似许多其他一维导体，只能以细 粉状形式存在，因而不容易用通常的光谱法加以 研究。图2表示，在K2Ir2（CO4）Cl5中的无定位 导带是一个强而宽的红外吸收带，在紫外一可见 光区的吸收带是由定位的Ir离子跃迁引起的。用光 声光谱研究这类不寻常化合物的吸收光谱，以获 得关于它们的电子结构的新资料，已引起人们很 大兴趣。
图8.薄板层析斑点的光谱（来自文献： Rosenewaig A:Anal Chem1976，47(4):592A)
• 图8为五种不同的化合物经TLC分离，直接 用光声技术鉴定在200nm-400nm范围内得 到的光声光谱。这五种化学物质是(1)硝基 苯胺，(2)苄叉丙酮，(3)水杨酸，(4)萘满酮 ，(5)芴酮。与右边的相应的溶液吸收光谱 相比，两者十分相似.
光声光谱发展现状
光声光谱发展现状光声光谱是一种结合了光学和声学的技术，它利用光声效应来实现物质的光、声之间的相互作用，可以用于研究物质的结构和性质。
光声光谱发展至今已经取得了许多重要的进展。
光声光谱最早可以追溯到19世纪，当时科学家们发现，在照射物质的光线被吸收后，物质会发出声音，这就是光声效应。
后来，人们发现光声效应不仅与物质的吸收有关，还与物质的热传导等方面有关。
因此，光声光谱被广泛应用于各个领域，如材料科学、化学、生物医学等。
近年来，光声光谱在纳米材料研究方面取得了重要进展。
纳米材料具有独特的物理和化学性质，但由于其尺寸小于光学波长，难以用传统的光学技术进行研究。
而光声光谱可以通过测量纳米材料吸收光的声音来研究其光学性质，从而为纳米材料的设计和应用提供重要的参考。
另外，光声光谱也被广泛应用于生物医学领域。
通过测量生物组织吸收光的声音，可以实现对生物组织结构和功能的非侵入性检测。
这对于早期肿瘤等疾病的诊断具有重要的意义，并且可以提高传统医学诊断方法的准确性和可靠性。
除了在基础科学研究方面的应用外，光声光谱还被广泛应用于工业检测和环境监测。
光声光谱可以实现对材料的缺陷和污染物的检测，有助于提高产品质量和生产效率。
同时，光声光谱还可以用于监测大气污染和水质污染等环境问题，为环境保护工作提供重要的科学依据。
然而，光声光谱在实际应用中仍然存在一些问题。
首先，光声信号的产生和检测技术还不够成熟，限制了光声光谱的灵敏度和分辨率。
其次，光声光谱需要对物质的光学和声学性质有较深入的了解，这对于一些复杂的物质来说是一个挑战。
此外，光声光谱的设备和技术成本较高，限制了其在一些领域的应用。
综上所述，光声光谱作为一种新兴的交叉学科技术，在纳米材料研究、生物医学以及工业检测和环境监测等方面取得了重要的进展。
虽然目前还存在一些技术和应用上的问题，但随着科学技术的发展和突破，相信光声光谱会在更多的领域发挥其独特的优势，为科学研究和应用创新提供更多的可能。
光声光谱的物理学研究和应用
光声光谱的物理学研究和应用光声光谱是一种非常有用的技术，可以用于研究物质的结构和化学成分。
本文将介绍光声光谱的基本原理、实验方法和应用领域。
一、光声光谱的基本原理光声光谱是一种通过光声效应研究物质的结构和化学成分的技术。
在这个过程中，物质被激发产生声波，这些声波被测量并用于确定物质的光学和声学特性。
光声效应是指当物质被短脉冲激发时，吸收能量并产生声波的现象。
这种效应是由于光的吸收和热膨胀引起的。
在光声光谱中，使用激光作为光源，将其聚焦到样品表面，产生短脉冲。
这些光脉冲被吸收并转化为声波，然后被传播到样品内部。
这些声波与样品内部的分子相互作用，并产生其他声波，这些声波可以被测量。
通过对这些声波的测量，可以确定样品的光学和声学特性，从而确定其化学成分和结构。
二、光声光谱的实验方法在进行光声光谱实验时，需要一个光源、一个样品和一个声音传感器。
以下是一个基本的实验流程：准备样品：将要研究的物质准备好，并将其放置在一个透明的容器中。
调整激光：将激光聚焦在样品表面上，并调整其功率和脉冲宽度。
产生声波：激光短脉冲会被样品吸收，并转化为声波。
这些声波会传播到样品内部，并与分子相互作用。
检测声波：通过声音传感器检测产生的声波，并记录其幅度和频率。
分析结果：通过对记录的声波数据进行分析，可以确定样品的光学和声学特性，从而确定其化学成分和结构。
三、光声光谱的应用领域光声光谱是一种非常有用的技术，可以用于研究各种不同类型的物质。
以下是一些光声光谱的应用领域：医学诊断：光声光谱可以用于医一半，接下来是：医学诊断光声光谱可以用于医学诊断，例如用于检测肿瘤和其他疾病。
通过对组织和细胞的光声光谱进行分析，可以确定其化学成分和结构，从而确定其是否异常。
这种技术还可以用于生物分子的研究，例如酶和蛋白质的研究。
材料研究光声光谱可以用于材料研究，例如用于研究纳米材料和表面性质。
通过对材料的光声光谱进行分析，可以确定其化学成分和结构，从而确定其性质。
光声光谱测试原理
光声光谱测试原理理论基础：光声效应A.G. 贝尔于1880年最早发现了固体光声效应，1881年又与J. 庭德尔和W.K.伦琴相继发现气体和液体的光声效应。
气体光声效应是由气体分子吸收电磁辐射（如红外辐射等）所致。
气体分子按其特征吸收频率吸收一定量电磁辐射后导致气体温度上升，部分能量随即以释放热能方式退激，并导致气体及周围介质产生压力波动。
若将气体置于密闭容器内，气体的温度变化则产生成比例的压力波。
如采用脉冲光源，则密封气体产生的压力波与脉冲光源频率一致，可采用高灵敏微音传感器和压电陶瓷传声器检测到该周期性压力波动。
虽然该现象可被重复验证，但仍需进行两方面调整才能使其真正用于实际检测。
首先是需要确定每种气体特定的分子吸收光谱，从而可对红外光源进行波长调制使其能够激发某一特定气体分子；其次则是确定气体吸收能量后退激产生的压力波强度与气体浓度间的比例关系。
因而，通过选取适当的波长并结合检测压力波的强度，就不仅可验证各种气体的存在，并可进一步确定其浓度。
甚至对某些混合物或化合物也可做出定性、定量分析，而这也正是应用光声光谱技术的特点。
从理论上讲，光声光谱仪可采用衍射光栅或干涉效应产生的具有连续波长的光脉冲对样品进行扫描。
但对于油中溶解气体分析而言，由于仅需检测几种已知化合物，而采用一系列透射波长一定的滤光片进行分光则是一种有效的做法。
故障气体的分子红外吸收光谱（图1）虽然存在不同化合物分子特征谱线交叠重合的现象，但通过进一步研究，可选择相对独立的特征频谱区域以满足检测各类气体化合物的要求，从而也从根本上消除了检测过程中不同气体间发生干扰的问题。
图 1. 几种故障气体的分子红外吸收光谱图光声光谱应用于油中溶解气体检测对于光声光谱检测装置（见图2）来说，光源通过抛物面反射镜聚焦后成为入射光。
以恒定速率转动的调制盘对入射光首先实现频率调制，随后由一组滤光片实现分光，各滤光片仅允许透过某一特定波长的红外线，其对应于光声室内某特定气体分子的吸收波长。
光声光谱技术
光声光谱技术光声光谱技术是一种革命性的非侵入式成像技术，结合了激光光子学及超声检测的技术原理，可实现高分辨率、高灵敏度的结构及功能成像。
本文将详细介绍光声光谱技术的概念、原理、应用及未来发展趋势。
一、概念光声光谱技术是一种将激光束转化为声波的技术，产生的声波与组织相互作用产生的回波被采集并转化为显微结构成像的技术。
它结合了光学成像及声学成像的特点，既能够提供高分辨率的成像结果，又能够克服光学技术对于深度探究的限制。
二、原理光声光谱技术主要基于光学及声学原理。
首先，一束激光束照射到一个生物样本上，被吸收的部分将被瞬间加热，导致热膨胀，从而产生一种声波。
这种声波沿着样本向外传播，当它碰到组织不同部分的边界时，会反射回来。
反射的声波通过专门设计的探头被接收，随后被发送到计算机处理。
计算机利用这些数据创建出一个显微镜图像或3D成像。
三、应用光声光谱技术被广泛应用于医学、生物学、材料科学、环境科学等领域。
以下是其主要应用方向：1. 医学成像光声光谱技术在医学成像中得到广泛应用，包括对生物组织、器官及细胞的成像。
例如，它可用于乳腺、肝脏、前列腺、脑部及眼部结构成像。
2. 生物分子成像光声光谱技术可以实现对生物分子的非侵入式成像。
例如，可用于探测蛋白质的分子交互作用及DNA的损伤。
3. 材料分析光声光谱技术还可用于材料分析。
例如，可以在没有破坏性的情况下对材料的结构以及弹性、柔韧性和热传导性能等进行分析。
四、未来发展趋势在未来的研究中，光声光谱技术将包括以下方向的研究：1. 无创检测光声光谱技术目前已经在医学成像领域取得了显著进展，未来将更广泛地应用于无创检测。
2. 分子重组光声光谱技术将用于分子重组技术。
3. 动态成像光声光谱技术将会被更广泛地应用于动态进程的成像。
4. 可视化控制光声光谱技术可以通过可视化控制来指导治疗，在未来可能有广泛的应用。
总之，光声光谱技术在生物医学、材料科学和环境科学方面的应用前景非常广阔。
光声效应的原理及应用
光声效应的原理及应用1. 引言光声效应是一种非线性光学现象，描述了由于光与声波的相互作用而引起的声光效应。
通过将一个频率较高的激光束聚焦到介质中，然后通过声波的激励，在介质中引起声波密度的调制，进而导致光的散射。
在这种过程中，光子与声子之间的相互作用导致了能量的传递，从而产生了光声效应。
光声效应具有许多独特的特性，使其在各种应用中发挥了重要作用。
2. 光声效应的原理光声效应的原理可以简单地描述为光的吸收、声波激励和光散射的相互作用。
当一个脉冲激光束照射到介质中时，光子被吸收，并引起周围介质中的局部加热。
该加热导致了介质中的温度升高，并在介质中产生了一个声波。
这个声波在介质中传播，同时导致光的密度调制，从而产生了散射的光。
光声效应的原理可以用下面的步骤总结：•激光束的吸收•温度增加和声波的产生•光密度调制•光的散射3. 光声效应的应用光声效应具有许多重要的应用，以下列举了一些典型的应用领域：3.1 光声显微镜光声显微镜是一种采用光声效应的显微镜，它结合了光学和声学的特点，可以获取高分辨率的图像。
通过将样本置于显微镜中，然后使用激光束照射样本，光声显微镜可以获得活体细胞、组织和生物标记物的三维图像。
光声显微镜在生物医学研究、生物医学成像和临床诊断中有广泛的应用。
3.2 光声成像光声成像是利用光声效应来获取组织结构和功能信息的成像技术。
通过将样本置于光束的聚焦区域，并使用探测器来记录由光声效应产生的声波信号，可以重建样本的图像。
光声成像在医学成像、材料科学和纳米技术等领域具有广泛的应用。
3.3 光声光谱学光声光谱学是一种通过测量光声效应产生的声波信号强度来分析样品的化学成分和结构的技术。
在光声光谱学中，样本被照射并激发，通过分析由光声效应产生的声波信号的频率和幅度变化，可以确定样本的化学成分和结构。
光声光谱学在材料科学、环境监测和生物医学研究中具有重要的应用。
3.4 光声能量转换光声能量转换是一种将光的能量转换为声波能量的过程。
3. 光声光谱
光声光谱成像光声光谱成像是一种基于光声效应建立的混合模式生物医学成像方法。
在光声成像中需要用纳秒脉冲激 光照射成像部位，部分激光被吸收后在组织内部产生超声波，用超声换能器探测超声波的强度。
由于不同 类型或不同状态的组织对激光的吸收光谱不同(如血红蛋白浓度、血氧饱和度、正常组织与癌变组织等都 会呈现不同的吸收光谱特征)，通过调谐激光波长、探测超声波随激光波长的变化，可以测量生物组织内 部的生理和病理信息。
图1氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的吸收光谱图2光声成像原理示意(-⅛- wo) n① 8uo=。
1J=x ①」BOWMolar extinction coefficient vs. wavelength104 103300400 500 600 700 800 900 1000 Wavelength(nm). Ultrasonic 『 detection Thermal Acoustic expansion waves Absorption Image formationLaserpulse光声成像具有无电离辐射、无造影剂、组织穿透性好、特异性好、实时性强的优势，在临床诊断领域被寄予厚望，应用领域包括：（1）人体组织成像，包括乳房、哨卫淋巴结、皮肤、甲状腺、眼睛、前列腺（经直肠）、卵巢（经阴道）的无损成像；（2）胃肠道、膀胱、循环肿瘤细胞（体内流式细胞术）的微创内窥镜成像；（3）术中肿瘤边缘和（淋巴结）转移成像。
如图3所示的是乳腺的光声成像和超声波成像对比实验模拟图超声图像光声图像图3光声成像在临床应用的原理图：乳腺的实时光声/超声成像诊断近红外纳秒脉冲激光具备穿透深度大、吸收特异性明显的特征，在光声成像中广泛使用。
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光声热实验报告
一、实验目的1. 理解光声效应的基本原理和实验方法；2. 掌握光声光谱仪的使用方法；3. 通过实验，了解不同物质的光声特性，为光声光谱技术在相关领域的应用提供实验依据。
二、实验原理光声效应是指当光照射到物质上时，物质内部的分子、原子或离子受到激发，产生热振动，从而产生声波的现象。
光声光谱技术是一种基于光声效应的光谱分析方法，具有高灵敏度和高选择性等优点。
本实验采用光声光谱仪，通过测量光声信号，分析不同物质的光声特性。
三、实验器材1. 光声光谱仪；2. 样品池；3. 紫外可见分光光度计；4. 标准样品；5. 待测样品；6. 电脑；7. 数据采集软件。
四、实验步骤1. 样品制备：将待测样品和标准样品分别配制成一定浓度的溶液，放入样品池中。
2. 标准曲线绘制：分别测量标准样品在特定波长下的光声信号，以光声信号强度为纵坐标，样品浓度为横坐标，绘制标准曲线。
3. 待测样品光声信号测量：在相同条件下，测量待测样品的光声信号。
4. 数据处理：利用数据采集软件对实验数据进行处理，计算待测样品的浓度。
五、实验结果与分析1. 标准曲线绘制：根据实验数据，绘制标准曲线，线性范围为0.1～1.0 mg/L。
2. 待测样品光声信号测量：在特定波长下，待测样品的光声信号强度为X1，根据标准曲线，计算待测样品的浓度为C1。
六、实验结论1. 通过本实验，掌握了光声光谱仪的使用方法，了解了光声效应的基本原理。
2. 实验结果表明，光声光谱技术具有高灵敏度和高选择性等优点，适用于物质的光声特性分析。
3. 待测样品的光声特性与标准样品具有相似性，为光声光谱技术在相关领域的应用提供了实验依据。
七、讨论与误差分析1. 实验过程中，样品池的温度对光声信号有较大影响，实验前需将样品池预热至室温。
2. 实验过程中，待测样品的浓度对光声信号有较大影响，实验前需对样品进行适当的稀释。
3. 实验过程中，光声光谱仪的稳定性对实验结果有较大影响，实验过程中需保持仪器稳定。
药物分析中的光声光谱技术应用
药物分析中的光声光谱技术应用药物分析是指对药物的成分、结构、质量等方面进行分析和检测的过程。
光声光谱技术是一种以光声效应为基础的光学技术，通过光声信号的产生和检测来获取样品的信息。
在药物分析领域中，光声光谱技术被广泛应用于药物的质量控制、成分分析和药物疗效评价等方面。
本文将介绍药物分析中光声光谱技术的应用。
一、药物质量控制药物的质量控制是保证药物品质的重要环节。
传统的药物质量控制方法通常需要样品的提取、前处理等多个步骤，费时费力且易受干扰。
相比之下，光声光谱技术可以直接对样品进行无损检测，无需预处理。
光声光谱技术通过检测样品中光致声效应产生的声波信号，可以获取药物的物理性质、浓度等信息，从而实现对药物质量的快速评估。
这在药品生产过程中具有重要的应用价值，可以提高生产效率和产品质量。
二、药物成分分析药物的成分分析是确定药物中各组分的含量和结构的过程。
光声光谱技术在药物成分分析中具有独特的优势。
光声光谱技术可以实现对药物中各成分的特征吸收峰进行检测和分析，从而确定药物的成分和含量。
与传统的光谱分析方法相比，光声光谱技术的峰形分辨力更高，可以检测到更低浓度的成分，且对样品的透明度要求较低，适用于颗粒状或混浊的药物样品。
因此，光声光谱技术在药物成分分析中具有广阔的应用前景。
三、药物疗效评价药物疗效评价是研究药物治疗效果的重要手段。
光声光谱技术可以通过测量生物组织或细胞中光声信号的变化，实现对药物疗效的评估。
例如，药物治疗肿瘤的效果可以通过观察肿瘤组织中的血管形态和分布情况来评价。
光声光谱技术利用其成像技术能力，可以对肿瘤组织进行高分辨率的成像，观察到微小血管的分布情况，从而评估药物对肿瘤的治疗效果。
此外，光声光谱技术还可以通过检测心血管系统中光声信号的特征变化来评估心脏疾病的治疗效果，具有很高的应用潜力。
总结起来，光声光谱技术在药物分析中具有广泛的应用前景。
它可以用于药物的质量控制，快速评估药物的物理性质和浓度；在药物成分分析中，可以通过检测吸收峰实现药物成分和含量的确定；在药物疗效评价中，可以通过光声成像技术观察组织中的变化来评估药物的治疗效果。
光声光谱讲座
exp( exp( s
sl) exp( sl) l) exp( sl)
exp
i(t
2
)
Pb (t)
P0 I 0
2lg ag asT0ks
1
exp
exp( sl) exp( sl)
i(t
2
)
exp( sl) exp( sl)
exp( sl) exp( sl)
4 2lg kbT0
f
t
1 4
))
(2) μβ>l, μs>l, μs<μβ (3) μβ>l, μs<l, μs<<μβ (4) μβ<<l, μs>>l, μs>>μβ
1
( )( ) exp(i( (1i)(gb )2 P0I0 l
4 2lg kbT0
f
t
1 4
))
1
( )( (i) g 2sP0I0 3
ag = 2πμg = 0.1厘米
（f=100Hz）
exp(-2π)<<1
(t )
(1/
2
g
)
2 0
g
ac (x,t)dx
(1/
2
2
)
exp[
it
1 4
]
气体活塞的位移可由理想气体定律简单估算：
x(t)
2
g
(t )
T0
g
2T0
exp[i(t
1 4
)]
光声池中剩余气体对边界层的响应
绝热近似：
μμSS
2ag ks
(6)
Q
is 2ag
( s ks
)Y
高分子材料的光声效应与光声成像应用
高分子材料的光声效应与光声成像应用光声效应是指在光照射下，材料中产生声波的现象。
高分子材料作为一类重要的材料，在光声效应中扮演着重要的角色。
本文将介绍高分子材料的光声效应以及其在光声成像应用中的潜在价值。
光声效应是一种非线性光学效应，其本质是光子能量被吸收并转化为声波能量。
在高分子材料中，由于其特殊的分子结构和化学成分，可以产生较强的光声效应。
当高分子材料受到光的照射时，光子会被材料吸收，导致材料温度升高，进而使周围介质发生膨胀和压缩，从而产生声波。
这种声波可以通过合适的装置进行检测和放大，实现光声信号的转换和处理。
高分子材料的光声效应在生物医学领域有着广泛的应用。
一方面，高分子材料可以作为光声成像技术中的探测器，通过接收光声信号来获取目标的形态和性质。
由于高分子材料的良好生物相容性和可调控的特性，可以用于制备高灵敏度和高分辨率的光声成像器件，用于体内组织和细胞的成像。
另一方面，高分子材料还可以作为光声探测器的保护层，保护光声探测器免受外界环境的影响。
除了生物医学领域，高分子材料的光声成像应用还延伸到材料科学与工程领域。
高分子材料可以用于表征材料的结构和性能。
通过光声成像技术，可以实现对材料内部的微观结构和缺陷的定量检测，为材料的设计和制备提供重要参考。
例如，在聚合物材料的研发过程中，光声成像技术可以用于评估聚合物材料的交联度、结构和热传导性能等。
此外，光声成像技术还可以用于检测和监测环境中的污染物和有害气体。
高分子材料可以吸附和传递特定的污染物，当污染物与光子相互作用时，会引发光声效应，并产生可检测的声波信号。
通过对声波信号的分析，可以实现对环境中污染物的快速检测和追踪。
总之，高分子材料的光声效应和光声成像应用具有广泛的潜在价值。
通过光声技术，可以实现对生物组织、材料性能和环境等的高分辨率成像和检测。
随着光声技术的不断发展和高分子材料的进一步研究，相信光声成像技术在各个领域的应用前景将更加广阔。
光声光谱气体分析原理及应用优势有哪些？
光声光谱气体分析原理及应用优势有哪些？光声光谱气体分析是一种基于光声效应的无损检测技术，广泛应用于环境监测、工业过程控制、医疗诊断等领域。
下面将介绍气体分析的原理及其在不同领域中的应用，以帮助读者更好地了解和应用这一先进技术。
一、气体分析原理1、光声效应：当物质吸收光能时，会产生温度变化，进而引起声音的产生。
这种声音信号的特征与被测气体的吸收特性相关。
2、光声谱学：通过对样品照射激光脉冲，利用被测气体的吸收特性引起的声信号变化，进而获得气体的光声光谱图像。
3、数据分析：通过对光声光谱图像的处理和分析，提取出目标气体的吸收峰信息，并进一步计算出气体浓度。
二、光声光谱气体分析的应用1、环境监测：气体分析可用于监测大气中的各种有害气体，如二氧化碳、一氧化碳、甲醛等。
这对于环境保护和空气质量改善具有重要意义。
2、工业过程控制：在化工、石油等工业生产过程中，气体分析可用于实时监测与控制生产过程中产生的有害气体，以确保工作场所的安全性。
3、医疗诊断：气体分析可用于医学领域，例如检测呼出气体中的代谢产物，为疾病的早期诊断提供便捷、无创的方法。
4、食品安全：通过气体分析，可以检测食品中的有害气体，如苯并芘等致癌物质，以确保食品安全和消费者健康。
5、科学研究：气体分析可应用于材料科学、能源研究等领域，帮助研究人员了解材料的光学特性和反应机理。
三、气体分析的优势1、高灵敏度：气体分析可以检测极低浓度的气体，对于微量有害气体的检测具有较高的灵敏度。
2、高选择性：通过选择适当的激光源和探测器，气体分析可以实现对多种气体的选择性检测。
3、非破坏性：气体分析不需要样品接触传感器，对被测样品不产生破坏，保持样品的完整性。
4、实时性：气体分析具有快速响应的特点，能够在实时监测系统中提供及时准确的气体浓度数据。
5、多元分析：通过对光声光谱图像的多元分析，可以同时提取多个气体成分的浓度信息，实现多组分气体的定量分析。
光声光谱气体分析技术以其高灵敏度、高选择性、非破坏性和实时性等优势，在环境监测、工业过程控制、医疗诊断等领域中得到广泛应用。
光声光谱艾伦偏差
光声光谱艾伦偏差
光声光谱（Photoacoustic Spectroscopy，PAS）是一种基于光声效应的光谱技术，它结合了光学和声学的原理，能够提供物质的光谱信息和结构信息。
艾伦偏差（AllenDeviation）是光声光谱中的一个重要概念，它描述了光声信号的相位延迟与频率之间的关系。
艾伦偏差的大小反映了光声信号的相位变化，与物质的光学性质和结构密切相关。
在光声光谱中，当激光束照射到物质表面时，物质会吸收光能并转化为热能，导致局部温度升高。
这种温度变化会引起物质的热膨胀，从而产生声波。
通过检测这些声波的信号，可以获得物质的光谱信息。
艾伦偏差的引入是为了描述光声信号的相位延迟与频率之间的非线性关系。
在理想情况下，光声信号的相位延迟应该与频率成正比，但由于物质的光学性质和结构的复杂性，实际的光声信号往往存在一定的非线性偏差。
艾伦偏差的测量可以提供关于物质的光学吸收系数、色散关系和分子振动等信息。
通过分析艾伦偏差的大小和形状，可以研究物质的光学性质和结构，对于材料科学、化学分析和生物医学等领域具有重要的应用价值。
总的来说，光声光谱艾伦偏差是光声光谱技术中的一个重要概念，它反映了光声信号的相位延迟与频率之间的非线性关系，对于研究物质的光学性质和结构具有重要意义。
光声光谱-贾琰
1、光声光谱的概念
光生光谱技术： 基本原理是光声效应。它是光谱技术与量热技术结 合的产物，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。
光栅构成激光器 的谐振腔。 腔内光束既是激 光器振荡谱线 又是被测样品 的激发光束。
皮秒光声光谱仪
三倍频激光：335nm
两倍频激光：530nm
非激光光源光声光谱仪
—双光束紫外可见分光光度计
3、光声光谱的应用
用于大气检测：
图(a)1、5、6、8、11是NO的吸 收峰，其他的是H2O的吸收峰。 图（b）为汽车尾气中采集试样 的光声谱。 还可以检测出爆炸物硝化甘油、 乙二醇二硝酸酯及二硝基甲苯蒸 气的灵敏度为2.8*10-4ppm、 1.5ppm和16ppm。 此外还有54ppb的乙烯、10ppb的 NH3、70ppb的O3以及0.1ppb的SO2 等气体的含量。
1、光声光谱的概念
光生光谱技术的特点： 1、灵敏度高，可测出10-10-10-8cm-1量级微弱 光信号的吸收系数。 2、适用范围广，不仅适于测量高散射样品、 不透光样品、弱吸收样品和低浓度样品，而 且样品无论是液态、气态、固态、薄膜、粉 末或纤维均可测量。 3、样品本身就是光声信号的检测器，不必借 助光检测器。
光声光谱技术原理
光学工程 贾琰 6121203003
主要内容
1、光声光谱的概念 2、光声光谱检测的基本原理 3、光声光谱的应用
1、光声光谱的概念
光声效应： 光声效应是在1880年由A.G.贝尔发现的。 当物质受到光照射时，物质因吸收光能而受激发， 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，从而 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，从而产生声信号，形成 声波。本质是能量转换。
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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。