《光声效应》讲座.ppt

• 一、原理 光声光谱仪是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。
（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。
• 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。
（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。
• 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；
② 光声显微镜技术。近年来,利用聚焦的激光束在固 体样品表面扫描，对不同位置处产生的光声信号的振 幅和相位进行测量，从而来确定样品的光学、热学、 弹性或几何结构，由此发展一种光声显微镜或光声成 像技术，可对各种金属、陶瓷、塑料或生物样品等的 表面或亚表面的微细结构进行声成像显示，特别是对 集成电路等固体器件的亚表面结构进行成像研究，成 为各种固体材料或器件非破坏性检测的有效工具。
此外，由于高功率激光源的出现，可利用光声 效应作为声信号的激励源，在气体、液体和固体 中激发声波，用以研究媒质的声学特性以及声与 声、声与其他物质的相互作用。因为光声信号的 激励源不必与媒质直接接触，所以特别适用于极 端条件（如高温、低温、高压或侵蚀性的环境） 下的研究工作。同时由激励源产生的光声信号源 可在媒质中高速运动而不致引起绕流，避免了因 绕流产生的附加噪声干扰。
• 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的组合。 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。
讲座 光声效应
许雪梅
光声效应 photoacoustic effect
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。
• 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. 调号接收器：光声信号可以用传声器或压
电换能器进行接收，前者适用于检测密闭容器内 的气体或固体样品产生的声频光声信号；后者还 可适用于检测液体或固体样品的光声信号，检测 频率可以从声频扩展到微波频段。
应用：由于在光声效应的测试中，检测的 是被物质所吸收的光能与物质相互作用以 后产生的声能，因此利用光声效应检测物 质的组分和特性是非常灵敏的。光声效应 的主要应用有光声光谱技术和光声显微镜 技术 。
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。