光声光谱的原理与应用-李子忠
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。
光声光谱油色谱 激光 红外 吸收光谱
文章内容：1. 引言光声光谱、油色谱、激光和红外吸收光谱是当今科学研究中非常重要的技术手段，它们在化学、物理、生物等多个领域都有广泛的应用。
本文将重点探讨这些技术的原理、应用和未来发展方向。
2. 光声光谱光声光谱是一种同时结合了光学和声学原理的新兴技术，它利用激光脉冲的光学效应和声学波的声学效应相互作用。
通过测量激光脉冲与物质交互后产生的声波信号，可以实现对物质内部结构和性质的非破坏性探测。
光声光谱在生物医学成像、材料表征、环境监测等领域具有重要应用前景。
3. 油色谱油色谱是一种用于分离和鉴定复杂混合物的技术，它通过样品溶解在流动相中，利用固定相的作用，使样品中的组分按照其在固定相和流动相中的分配系数不同而被分离。
油色谱广泛应用于石油化工、生物医药、环境监测等领域，可以对混合物的组分进行快速准确的分析和鉴定。
4. 激光激光是一种光学装置，它能够产生出具有高度一致性的单色光和高光强度的光束。
激光具有良好的方向性和单色性，因而在通信、医学、制造等领域有着广泛的应用。
激光技术的发展不仅推动了科学研究的进步，也广泛应用于工程技术领域。
5. 红外吸收光谱红外吸收光谱是一种分析材料成分的常用方法，它利用物质吸收红外辐射的特性，可以对物质的结构和功能进行非破坏性检测。
红外吸收光谱在化学合成、医药制剂、环境保护等领域发挥着重要作用，能够对化合物的官能团和键进行准确鉴定和表征。
6. 应用前景这些技术的发展和广泛应用，为人类的科学研究和生产生活带来了巨大的贡献。
随着科技的不断进步和创新，这些技术的应用范围也将不断拓展，为人类社会的发展和进步注入新的活力。
7. 个人观点在我看来，光声光谱、油色谱、激光和红外吸收光谱这些技术的发展正在为人类社会的进步做出重要贡献。
它们不仅拓展了我们对物质世界的认识，也为科学研究和工程技术的发展提供了有力支撑。
希望未来能够有更多的科学家和工程师投身到相关领域的研究中，推动这些技术更好地为人类社会服务。
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。
光声光谱技术的应用
光声光谱技术的展望
结合以上我们对光声光谱技术的了解，不难发 现，鉴于光声光谱技术对多种微量气体具有极高的 检测灵敏度，对微量气体进行无侵入地、连续的检 测成为可能，具有非常乐观的应用前景。我们可以 使用光声光谱技术对食物散发微量气体进行检测， 这对于检查食品安全方面具有重要意义。随着光声 光谱技术的发展，逐渐出现了一些新的测定技术， 如光声显微镜，傅里叶变换光声光谱等。这些技术 为光声光谱法更广泛的应用提供了新条件。
光声池是一个配有微音器和窗口的密闭池体，其结 构设计好坏直接决定光声信号的强弱及背景噪声的 大小，因而，光声池的设计是决定光声光谱气体检 测系统探测灵敏度的关键因素之一。其总体设计原 则如下： (1)光声池应尽量与外界噪音隔离； (2)尽量减小入射光与池壁、窗片及微音器的直接作 用，以减小背景信号； (3)尽量增强光声池内入射光的有效吸收，以提高信 噪比； (4)保持光声池内表面光洁，以减小气体的吸附和粘 滞效应。
上个世纪60年代末，激光的大功率、单色性好，高灵敏度麦克风以及相 位敏感的锁相检测方法的出现极大地提高了光声光谱的检测灵敏度。
1971年，Kreuzer等，用一台氦氖激光器检测氮气中甲烷含量，测量精 度达到了0.01ppm，并且他从理论上分析了光声光谱的检测极限可达到 量级。 1973年，Robin等人将高功率氙灯光源与单色仪联用构可调谐光源，测 定了从紫外到可见光范围内气体和固体的吸收光谱。 1982年，同济大学声学教研室设计了一种低频耦合共振光声池。
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： 1）长期稳定性好、灵敏度高； 2）不消耗气样，如载气、标气； 3）检测时间短，便于现场检测； 4）适于多种气体成分的检测； 5）系统结构简单。
光声光谱微量气体检测技术及其应用研究共3篇
光声光谱微量气体检测技术及其应用研究共3篇光声光谱微量气体检测技术及其应用研究1光声光谱微量气体检测技术及其应用研究在各种工业生产和科学研究中，微量气体检测技术变得越来越重要。
然而，传统的检测方法通常需要大型仪器和昂贵的操作费用，这极大地限制了其实际应用。
光声光谱技术因其快速，准确，非侵入性和高灵敏度而备受关注，尤其是在微量气体检测中的应用。
本文将阐述光声光谱技术的原理及其应用研究成果。
光声光谱技术简介光声光谱技术是一种新兴的检测技术，结合了光学和声学的优势，通过激光光束的吸收和散射声波的检测来实现气体分子的检测。
当一束激光穿过待测气体时，光子会和气体分子发生相互作用，产生吸收的效应，从而激发声波信号。
检测的声波信号可以被转化为数值信号分析和研究。
由于气体分子的吸收光谱与其分子构型和化学组成有关，因此，可以通过测量吸收光谱的波长和强度来鉴定待测气体分子，进而实现其检测。
光声光谱技术的应用大气环境监测：空气中存在的微量气体成分是影响大气环境质量的重要因素。
传统的大气环境监测方法通常需要收集样品后带回实验室进行分析，无法实现在线监测。
而光声光谱技术可以在现场对空气中的微量气体，如二氧化碳和甲醛等进行在线监测。
韩国科技大学研究发现，利用光声光谱技术可以在空气中检测到ppm级别的甲醛浓度，这与传统的红外吸收光谱相比具有更高的检测灵敏度。
生物医学检测：在生物医学领域，研究人员一直在寻找一种高灵敏度、快速、非侵入性检测微量分子的方法。
光声光谱技术可以通过检测人体呼出气体中携带的微量气体，如一氧化氮和碳氢化合物等，来辅助疾病诊断。
研究人员利用光声光谱技术检测呼出气体中的一氧化氮和乙醇等，可以实现对肝癌和乳腺癌的早期诊断。
食品安全检测：光声光谱技术也可以用于食品安全检测。
例如，在辣椒果实中，甲醛、乙醛和丙酮等有毒化学物质的含量可能会超过安全标准。
研究人员可以利用光声光谱技术检测出这些化学物质，以确保食品的安全性。
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。
光声光谱技术在中药方面的应用
光声光谱技术在中药方面的应用光声光谱方法具有灵敏度高、样品无须预处理、可测光谱范围广和快速高效等特点，特别适合于强散射、非透明样品。
它为中药的全面研究提供了新的方法和思路。
本实验把光声光谱技术应用于中药检测，利用自组建的紫外-可见光光声光谱系统，测量了四种常见的中药的光声光谱，得到了重复性较好的光声光谱图，是中药检测技术的有益补充，具有一定的实际应用意义。
标签：光声光谱；紫外-可见光；双通道光声光谱系统1 引言随着经济全球一体化以及公众健康意识提高，中药的用药安全已成为人们越来越关注的问题，中国要实现中药的现代化，成为中药强国，就要建立一套综合的品质鉴定和全面质量（GSP）的科学体系，跟世界医药体系接轨。
由于中药的鉴定对象是复杂的和多种多样的，传统方法都存在着鉴定周期长，制作样品复杂等原因，影响了中药行业的发展。
如何快速高效全面地鉴定中药，缩短中药研发周期就成为一个关键问题，因此中药的鉴定方法和技术要不断创新，这样才能不断地精炼和提升中药质量标准，加速中药的发展。
本文把光声光谱技术应用于中药检测，利用自组建的紫外-可见光光声光谱系统，测量了四种常见的中药的光声光谱，得到了重复性较好的光声光譜图，是中药检测技术的有益补充，在国内目前尚没有人做过该方面的实验，因此本文具有一定的探索性和实用意义。
2 测量原理2.1 光声光谱的原理3 双通道紫外-可见光光声光谱系统的构建氙灯输出的光经过后面椭球镜会聚，从单色仪的入射缝进入，经单色仪的分光作用后，在出射狭缝输出准直单色光，然后再在斩波器的作用下进行调制，使光入射到光声池内；由于调制的光与物质相互作用，产生与波长和测试样品相关的光声信号；由传声器探测并送入与其相连的信号处理电路，由锁相放大器进行微弱信号检测，通过与电脑连接的数据采集系统记录处理数据。
4 常见中药的光声光谱检测本实验采用的药材由广州中医药大学药学院提供部分标准样品，样品准备好后，要对样品进行研磨成粉末，之后就可以采用紫外-可见光光声光谱系统对样品进行测试。
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。
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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药物分析中的光声光谱技术研究进展
药物分析中的光声光谱技术研究进展光声光谱技术是一种结合光学和声学原理的新型分析技术，其在药物分析领域的应用正逐渐展现出巨大潜力。
本文将对药物分析中光声光谱技术的研究进展进行综述。
一、光声光谱技术的原理光声光谱技术利用激光的光热效应和声波的传播特性，通过测量产生的声波信号来获得样品的信息。
其原理是当样品受到激光脉冲的照射后，由于光热效应使得样品产生瞬时温升，导致样品热膨胀和声波的形成，进而产生可测量的声信号。
通过分析声波信号的特征参数，可以得到样品的物理和化学信息，如浓度、组成、药物释放等。
二、药物分析中的光声光谱技术应用2.1 药物成分分析光声光谱技术可以用于药物的成分分析。
例如，通过测量样品的光声光谱信号，可以判断药物中的化学成分和结构特征，实现药物成分的快速鉴定和定量分析。
这在药物质量控制和仿制药研发中具有重要意义。
2.2 药物释放行为研究药物的释放行为对于药物治疗效果的评估十分重要。
光声光谱技术可监测药物在体内和体外的释放过程，并通过分析光声光谱信号的变化，研究药物的释放速率、机制和影响因素。
这为药物的控释系统设计和药物疗效评价提供了有力支持。
2.3 药物代谢与转运研究药物代谢与转运对于药物的活性和毒性有着重要的影响。
光声光谱技术可用于研究药物在生物体内的代谢和转运过程，通过监测药物的光声光谱信号，揭示药物的代谢途径和动力学特征。
这对于药物的剂型设计和药物代谢动力学的研究具有重要意义。
三、光声光谱技术的优势与挑战3.1 优势光声光谱技术具有非侵入性、高灵敏度、高选择性和快速检测的优势。
它可以用于不同样品的分析，如固体、液体和生物组织等，且对样品的形态和透明度要求较低。
同时，其灵敏度高，可以实现对微量样品的检测。
此外，由于光声光谱技术融合了光学和声学的特点，可以得到丰富的信息，进而提高药物分析的准确性和可靠性。
3.2 挑战光声光谱技术在药物分析中仍面临一些挑战。
首先，光声光谱技术的成像分辨率需要进一步提高，以满足对微小细胞和微创伤等细节的观察。
光声光谱传感器在电力系统中的应用
光声光谱传感器在电力系统中的应用随着电力系统的不断发展和智能化技术的不断提升，传感器技术在电力系统中的应用也变得越来越重要。
光声光谱传感器作为一种新型的传感器技术，具有高精度、高灵敏度和多功能化等优势，已经被广泛应用于电力系统中。
本文将从传感器的基本原理、在电力系统中的应用及发展趋势等方面进行介绍。
一、光声光谱传感器的基本原理1.1 光声光谱传感器的工作原理光声光谱传感器是一种将光学和声学相结合的传感器，其工作原理是利用激光器产生的光束照射到被测物体表面，当光束与物体表面发生相互作用时，产生声波。
传感器通过检测反射回来的声波信号，并通过光学系统将声波信号转换成电信号，从而实现对被测物体表面的测量和分析。
1.2 光声光谱传感器的特点光声光谱传感器具有以下几个特点：（1）精度高：光声光谱传感器可以实现对目标物体表面的高精度测量，能够满足电力系统中对测量精度要求较高的需求。
（2）灵敏度高：传感器对被测物体表面的微小变化具有高灵敏度，可以及时发现电力系统中潜在的问题。
（3）多功能化：光声光谱传感器在电力系统中有多种应用方式，能够实现不同参数的测量和监测，具有较强的多功能化特点。
二、光声光谱传感器在电力系统中的应用2.1 电力设备的上线监测在电力系统中，各种电力设备的状态监测至关重要，可以及时发现设备的运行问题，避免设备故障引发的事故。
光声光谱传感器可以用于电力设备表面的上线监测，通过对设备表面的微小变化进行测量和分析，实现对设备状态的实时监测和预警。
2.2 电力设备的故障诊断光声光谱传感器还可以用于电力设备的故障诊断，通过对设备表面的声波信号进行检测和分析，可以快速准确地判断设备是否存在故障，并进行故障类型的识别。
这对于电力系统中的设备维护和修复具有重要意义。
2.3 电力负荷的实时监测在电力系统中，对电力负荷的实时监测是保障系统稳定运行的关键。
光声光谱传感器可以用于对电力负荷的实时监测，通过对电力设备表面的声波信号进行检测和分析，可以实时监测电力负荷的变化情况，为系统调度提供重要依据。
光声光谱技术的应用
• 例如对氨以及各种烯烃化合物的分析，灵 敏度可达μg/ml数量级。激光光声光谱法能 3 1 cm 在 中检测出 0.001g / m L的NO，测量的 时间仅为4s，对乙烯的检测灵敏度为 0.2g / mL 。克洛兹测定了氨、乙醇、甲醇、 乙烯、三氯乙烯五种气体的光声光谱图，并 用激光光声光谱法测定了氨、苯、一氧化氮、 二氧化氮等大气污染物，且灵敏度都很高。
集到内核，通过其内部设定的算法等相关程序作用， 最后将运算结果送入显示、声光报警、通讯等外部 设备。 灵敏度：2002年荷兰Nijmegen大学的光声光谱小组 利用光参量振荡器搭建的光声光谱系统将乙烷的检 测灵敏度提高到10×10-12水平。 直到1995年，对 NO2和CH4浓度进行光声检测，最低浓度极限分别 达到37×10-11 和37× 10-12 量级；光谱覆盖范围 9～11μm，2001年,该系统对C2H2和伪的极限检测 灵敏度分别达到10-11 和10-9量级，百万分之几 (PPm)；千分之几(pPt)；ppb(十亿分之几)。2006年 采用亥姆霍兹共振型光声腔，结合7.9毫米中红外光 源，探测甲烷灵敏度达到3ppb。
气体分析
光声光谱技术用于气体分析比较成熟。 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
光声池是一个配有微音器和窗口的密闭池体，其结 构设计好坏直接决定光声信号的强弱及背景噪声的 大小，因而，光声池的设计是决定光声光谱气体检 测系统探测灵敏度的关键因素之一。其总体设计原 则如下： (1)光声池应尽量与外界噪音隔离； (2)尽量减小入射光与池壁、窗片及微音器的直接作 用，以减小背景信号； (3)尽量增强光声池内入射光的有效吸收，以提高信 噪比； (4)保持光声池内表面光洁，以减小气体的吸附和粘 滞效应。
第六章 红外光声光谱
光声光谱法（PAS）的发现
• 1880年，比尔（Bell）首先报导了光声效应，他发现当被调制 的太阳光聚焦到薄膜上时，膜会发出声音，后来发现在其他形 式的固体、液体和气体上也有类似的这种光声效应。 • 比尔的实验，其接收器是耳朵。 • 微音器的出现，提高了灵敏度。 • 1971年，Kreuzer和Palel利用连续可调红外激光器与高灵敏度 微音器组合成光声光谱装置，检测大气中低浓度的污染物，其 灵敏度比光电红外光谱仪高很多。 • 1973年，Rosencwaig设计了第一个商品PA非共振光声池。 • 1977年，第一台样机在匹兹堡展览会上展出，型号为6001PAS。 • 70年代末期，建立了FTIR-PAS。 • FTIR光谱仪的高光通量和多频光同时测定的优点，使PAS能用广 谱光源，并获得发展。
光声光谱？
• 很多材料在中红外波段不透明，不能直接透射分 析，常规的解决样品不透明的方法：
– 利用分析在近红外光谱范围的谐波和合成波的吸收谱带。 – 根据样品选用适当的红外光谱附件和相应的测量方法。
• 漫反射光谱法——特别适用于粉末样品，但
– (1)对于表面光滑的样品也有问题; – (2)像硬塑料扣、头发丝等很难研成粉末； – (3)样品制备成粉末使样品形态不可逆。
c、情况Q3，对热传导来说厚的样品（μs<<b; μs<Lβ）
R-G理论表达式中的Q简化为
Q = −iβμ s ( μ s / K s ) y / 2a '
• 和T3情况一样，PA信号将正比于β，而 调制关系正比于ω-1 。
五、光声池的最优化设计
激光光声光谱技术解析
激光光声光谱检测技术激光光声光谱技术作为一种高灵敏度的微量气体检测技术历史已经超过30年，几乎同红外气体检测技术一样长。
这两种检测技术的共同点都是利用气体分子吸收红外线的特性，二者的区别在于光源。
红外检测技术是利用红外线做光源，是广谱的光源，即使经过滤光片依然是广谱的光源，所以红外气体传感器的选择性差灵敏度低。
激光光声光谱技术采用激光器做光源，是单一频率的光源，光源的频率可以和气体分子的吸收频率一致，所以激光光声光谱技术的特点是选择性好灵敏度高。
一、激光光声光谱气体检测技术原理光声气体检测技术是基于不同气体在红外波段有不同的特征吸收光谱，比如CO是2.32μm和4.26μm，CO2是4.65μm和14.99μm，而SF6的红外特征光谱在10.5μm附近。
光声气体检测原理是利用气体吸收一强度随时间变化的光束而被加热时所引起的一系列声效应。
当某个气体分子吸收一频率为ν的光子后，从基态E0跃迁到激发态E1，则两能量级的能量差为E1-E0=hv。
受激气体分子与气体中任何一分子相碰撞，经过无辐射驰豫过程而转变为相撞的两个分子的平均动能(既加热)，通过这种方式释放能量从尔返回基态。
气体通过这种无辐射的驰豫过程把吸收的光能部分地或全部的转换成热能而被加热。
如果入射光强度调制的频率小于该驰豫过程的驰豫频率，则这光强的调制就会在气体中产生相应的温度调制。
根据气体定律,封闭在光声腔内的气体温度就会产生与光强调制频率相同的周期性起伏。
也就是说,强度时变的光束在气体试样内激发出相应的声波,用传声器便可直接检测该信号。
气体光声检测系统通常由激光器(或普通单色光源)、调制器(使光束作强度调制,例如机、充有被测吸收气体和装有检测传声器的光声腔以及信号采集处)械切光器、电光调制器等．理系统组成。
利用光声原理实现的气体检测技术是基于气体的特征红外吸收,间接测量气体吸收的能量，因此测量灵敏度高，检测极限低，切不存在传感器老化的问题。
高二物理竞赛光声光谱课件
光声光谱原理
入射光 样品 吸收
光能
发光衰减
(可见和紫外 光波段）
化学变化
(紫外光波段)
无辐射跃迁 （热效应，红 外波段）、
L aser
L ig h t c h o p p e r
M ic ro p h o n e
A m p lifie r
Fig.1.1 Block diagram of a photoacoustic spectrometer.
光声光谱法对于不透明﹑高反射﹑高散射固体试样（包括粉末），可直接测定，不需处理样品。
Rosencwaig和Gersho提出了固体光声光谱的活塞模型。
源
David Saltzberg等科学家为验证Askaryan效应，利用史丹佛直线加速器(SLAC)的Final Focus TestBeam将γ射线射入沙箱，产生预期中的
衬底b 样品s 气体边界层 气体(空气)g 窗口
收光谱， 制作中组织仍然被尽量维持其细胞的基本形态结构, 组织基本不发生皱缩的现象。
Rosencwaig和Gersho提出了固体光声光谱的活塞模型。
* 强吸收、高分散的样品 这样连续改变强度调制的入射光的波长，同时记录传音器信号，便得到反映样品吸收性质的光谱 光声光谱。
光声效应是指样品吸收强度调制的光而激发起声波的效应，由Bell于1880年 发现。如图1.1所示，入射光照射装有气体样品的密闭光声池，如果光的波长与 气体的吸收线一致，则气体分子吸收光子而处于激发态。分子间的相互碰撞使一 部分受激分子通过无辐射跃迁过程而返回基态，激发能弛豫为平动能。宏观上表 现为池内气压的增大。若入射光的强度被调制，则池内压力周期性起伏－即产生 声波，可由传音器检测。如果入射光的波长与气体分子的吸收线不同，则气体分 子不被激发，池内气体不受强度调制的入射光的影响，传音器无信号输出。这样 连续改变强度调制的入射光的波长，同时记录传音器信号，便得到反映样品吸收 性质的光谱光声光谱。
光声光谱技术在中药方面的应用
光声光谱技术在中药方面的应用光声光谱技术在使用过程中灵敏度很高，样品也不需要进行预处理，并且其检测的光谱范围也是非常广泛的，能够为中药的发展和研究提供新的思路和方法。
下面本文中通过对光声光谱技术进行分析介绍，进一步对其在中药发展方面的应用加以分析探讨，从而更好地促进我国中药的发展和研究。
标签：光声光谱技术；中药方面；应用我国在最近几年的发展中，医学方面尤其是中药的用药方面取得了很大的进步和发展，并且中药相关的问题研究也已经成为了当前医学发展的重要研究问题。
我国在中药研究方面要实现现代化，就必须要建立一套综合的样品鉴定和质量管理体系，目的就是更好地和世界医药体系形成比较统一的管理体系。
在中药的长期研究过程中，由于中药的研究范围比较广泛，且对象也是非常复杂的，因此和传统的方法相比较存在较大的差别，随着制作样品复杂等原因，这些都严重影响了我国中药行业的发展。
那么采用先进的光声光谱技术更好地应用于中药方面的研究和发展，并且为中药的发展提出新的研究方向和思路，具有很好的指导意义。
1.光声光谱技术原理光声光谱技术是建立在光声效应上的一种测量技术，通过利用光声信号的产生和检测，形成一个能量以及光热等转移的过程。
在这个技术的应用过程中，能够很好地反映出光和物质之间的能量转换。
光声光谱的波长范围比较广，从整个紫外区经过可见区域直到红外线区域，都能够进行光线强弱、吸收强度等方面的检测。
是一种很好地不会造成破坏，并且同时适应性又比较强的检测方法，在整个技术应用的过程中，样品吸收调制的光能而受到交变加热，部分热能通过热传导流入到接触到气体中，从而能够产生互相交替加热的振动过程，从而进一步发射微波信号，由微音器接受信号，这样最终就产生了光信号。
2.光声光谱归一化原理分析广晟信号和光射强度、样品的吸收程度有很大的关系，通常我们假定碳黑的吸收系数是1的话，那么在同等条件下，我们就能够得到这样的结论，就是光声信号和光的照射强度成正比例关系，因此我们在进行检测的过程中就可以利用这样的特性进行操作。
光纤传感技术光学工程,李子忠
七、频率调制光纤传感器
• 原理：利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率变化来测量外 界物理量。频率调制是基于光学多普勒效应。
萨格奈克干预仪
Hale Waihona Puke • 上图为萨格奈克干预仪的构造。激光器输出的两束光沿着一条由一个分束 器和三个平面镜构成的闭合光路反方向传输,它们重新合路后再入射到光 检测器,同时一局部光又返回到激光器。可以求得,顺、反两光束之间的光 程差为
• 其中,A为光路系统围成的面积,c为光速,ω为光路系统旋转的角速度。它是 目前许多惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计根底。
• 一根多模光纤从一对机械变形器中间通过，如上图所示。 当变形器受到压力作用时，光纤沿轴线产生周期性微弯曲 。光纤的弯曲会引起光纤中的传导模与辐射模之间产生耦 合，从而使一局部导模泄漏到包层中去。通过检测纤芯中 的传导光功率，就能测量出与之成一定关系的压力的大小
• 2、反射式光纤位移传感器 光纤位移传感器的构造和工作原理
杂微量元素 • 2.包层：直径100－200um，折射率略低于纤芯,使光的传输性
能相对稳定 • 3.涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光 • 4.护套：尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤
2、光在光纤中的传播
• 1.斯涅尔定理(Snell's law) • 光由光密介质入射到光疏介质时发生折射，如图(a)，其折射
• 光纤传播损耗分类： • 吸收损耗： 与组成光纤的材料的电子受激跃迁和分子共振有关。
• 散射损耗： 由于材料密度的微观变化，成分起伏，以及在制造光纤过 程中产生的构造上的不均匀性或缺陷引起的。
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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）
• 其中曲线a表示Cr2O3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9.铜钝化研究的结果(来自文献
LahmannW.et al.，Anal.Chem.，49，4(2977) 549)
• 图9就是光声光谱研究表面钝化的一个例子， 其中曲线(a)为铜表面经钝化剂BTA(苯并三 唑)处理后表面的光声光谱，(b)为未经钝化 处理的铜表面的光声光谱。(a)与(b)仅在波 长小于300nm范围内有明显不同，(c)是(a) 减去(b)的差示光谱。因此(c)代表BTA单层 化学吸着光谱，光谱(d)则是BTA粉末的光 声光谱。但是，(c)与(d)有着明显的不同， 这说明了化学吸着的BTA已经经受了重要的 结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6.近红外光声光谱 (a)粉状纯高岭土(b)胱氨酸
• 许多试样在紫外一可见光范围没有吸收，而在近 红外区却有特征的光声光谱。地球化学样品纯高 岭土H4Al2Si2O4(不规则的)和生物化学样品氨基酸 一胱氨酸在红外光谱范围内具有几乎所有的吸收 带，不论是泛音或综合带，包括氢的伸张振动。 纯高岭土的光声光谱如图6(a)所示，其中1.4和 1.9um的吸收带是游离的、非离解的水的吸收带， 而2.2um的谱带表示OH的综合带。图6(b)表示胱 氨酸红外光声光谱，1.4和1.9um吸收带仍然是由 样品中杂质水引起的。1.7um的吸收带是一NH或 一CH伸张振动的特性。
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7.有与没有抗菌剂TCSA存在的豚鼠表皮的PAS图 的比较（来自文献RosenewaigA:AnalChem1976， 47(4):592A）
• TCSA为高效抗菌剂，但易致光敏症及其他皮肤 病，其原因尚不十分明了;(b)曲线是对照组的豚鼠 表皮的PAS图;(c)曲线是(a)、(b)的差别光谱 (Difference spectrum)。从图7可推知，TCSA与 表皮内部已相互结合，这可能是TCSA产生上述 副作用的一个原因。
• 图3是三种粉末状的直接禁带的半导体CdSe、 CdS、ZnS的光声光谱图。由光声光谱弯曲边缘 部位确定的禁带值分别为1.75、2.4和3.7eV，与 文献值1.5、2.4和3.6eV十分吻合。图4为间接跃 迁半导体GaP的光声光谱图，由光声光谱测得的 禁带值2.80eV与文献值2.78ev也非常吻合。在低 温和采用高分辨率光谱仪条件下，光声技术还用 来研究晶体粉末或无定形半导体中由杂质、掺杂 物或其他效应所产生的激子和光谱精细结构.光声 光谱对研究粉末状或无定形的有机半导体及玻璃 半导体也很有用。
2.3去激化研究
• 光声光谱效应可以测量光激发后物质体系 中发生的非辐射去激化过程，也能用于研 究荧光(或磷光)物质和光敏物质，并且有足 够的灵敏度和选择性。
图10.Cooper蓝的PAS图（来自文献
LahmannW.et al.，Anal.Chem.，49，4(2977) 549
• 在某些化合物中，去激化的一种方式是经过光化学反应。 图10是Cooper蓝(2，2一二甲基一4一苯基一6一对硝基苯 基一1，3-二氮双环已一3一烯)的光声光谱。这种物质在 暗处是无色的，但当暴露于短波长的光下时，就转为深蓝 色。图10(a)为Cooper蓝在黑暗处的PAS图（主要是吸收 紫外光，可见光吸收很弱）;曝露于紫外光片刻，立即进 行第二次PAS实验，结果所得(b)图与(a)图迥然不同，在 可见光区出现两个强的吸收峰，这些吸收峰是CooPer蓝 的蓝色产生的。再将此样品曝光，继续进行光化反应，并 进行第三次PAS实验，结果得(c)图。由于Cooper蓝吸收 了紫外线的光子，分子裂环产生中间化合物，再经光化反 应，进一步分解，结果得(c)图。上例说明，PAS法不仅可 显示光化反应的发生，而且可为光化过程直接建立活化光 谱图(Activation spectrum)。而迄今为止，尚未能方便地 用其他方法建立光敏物质的有关活化光谱图资料。
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.
2.光声光谱应用
• 光声光谱的应用十分广泛，主要有三个方面，即 整体研究、表面研究和去激化研究。 • 2.1整体研究 • 当固体物质具有反射率不高的表面时，用光声光 谱可以提供关于整体自身的光学数据，研究它们 对光的吸收性质。甚至高度不透明或高度散射的 试样，如绝缘体、半导体、金属体系，或半固体 的生物组织，用通常的反射光谱法无法研究，但 用光声光谱法却可以研究。