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1、光声光谱技术原理,1610210517 鲁晓璐,背景及概念 光声光谱技术的基本原理 光声光谱仪,主要内容,1. 背景及概念,光声光谱技术是基于光声效应的一种光谱技术。 早在1880年，Bell就通过通讯实验发现了光声效应并做了报道，但因理论与技术的限制此后半个多世纪光声效应的应用未能得到发展，直到20世纪70年代，Robin的研究工作表明光声光谱法可用来测定传统光谱法难以测定的光散射强或不透明样品时 ,光声光谱才开始引起人们的广泛重视 。,由于微信号检测技术的发展,高灵敏微音器和压电陶瓷传声器的出现，强光源（激光器、氙灯等）的问世，光声效应及其应用的研究又重新活跃起来。对大量固体和半导体的光声
2、研究发现，光声光谱是一种很有前途的新技术。 光声技术在不断发展，二氧化碳激光光源红外光声光谱仪适用于气体分析;氙灯紫外-可见光声光谱仪适用于固体和液体的分析；傅里叶变换光声光谱仪能对样品提供丰富的结构信息。,光声光谱,光声效应： 光（电磁波）照射于物质时，物质吸收电磁波能量产生热，周期性热流使周围的介质热胀冷缩，从而激发出声波。 光声效应的本质是能量转换。,光声光谱： 一种基于光声效应发展起来的光谱技术。 当光声腔内样品受到一束调制后的单色光照射时，以无辐射弛豫方式将吸收的光能部分或全部地转换成热，样品受热体积膨胀，产生以光源为中心向外扩展的压力波，用置于其中的声波传感器便可接收到声音（光声）
3、信号。 优点：高灵敏度、高选择性、大动态检测范围。,适用范围 由于光声光谱测量的是样品吸收光能的大小，因而反射光、散射光等对测量干扰很小，故光声光谱适于测量高散射样品、不透光样品、吸收光强与入射光强比值很小的弱吸收样品和低浓度样品等，而且样品无论是晶体、粉末、胶体等均可测量，这是普通光谱做不到的。光声效应与调制频率有关，改变调制频率可获得样品表面不同深度的信息,2. 光声光谱技术的基本原理,图1.光声效应的原理图,光声光谱技术的物理基础是光声效应，其原理如下图所示：,光声效应原理：,这种光能转换成声能的能力，不仅取决于光子特性，而且也体现了被测物质的热学性质（导热性、热扩散率、比热等）及光谱学
4、性质，因此，能够通过对光转换成声的能力大小的探测来确定物质的热学性质和光谱学性质。,光声光谱原理： 当物质吸收光收到激发后，返回初始态可通过辐射跃迁或无辐射跃迁。前一过程产生荧光或磷光，后一过程则产生热。因为吸收光强呈周期性变化，容器内压力涨落也呈周期性。当试样是气体或液体时，其本身就是压力介质。由于调制光的频率一般位于声频范围内，所以这种压力涨落就成为声波，从而能被声敏元件所感知。声敏元件所感知的声波信号经同步放大得到的电信号为光声信号。,试样 的激发,图2.光声光谱技术原理图,若将光声信号作为入射光频率的函数记录下来，就可获得光声光谱图,3. 光声光谱仪,图3.光声光谱仪基本结构,光源：,
5、调制技术：,一般情况下脉冲光源不需要特别调制即可直接使用，但在使用连续谱光源时，则需要对光束进行调制。光调制技术包括振幅调制和频率调制（或波长调制），其中振幅调制较为常用，其调制方法有机械斩波器、声光调制和电光调制。虽然振幅调制较为常用，但与之相比频率调制（或波长调制）能够消除由波长引起的如窗材料吸收等带来的背景干扰从而提高探测灵敏度，但该调制模式仅适用于窄线宽的吸收体,光声池：,光声池是光声光谱检测装置最为核心的部分，光声池是一个装有传声器、放置被测样品的密闭池。其实质就是“光-热-声”的转换器 设计光声池的一般要求： 1、良好的声屏蔽，减少外界环境的噪音影响； 2、尽量避免激发光与池壁或传
6、感器直接作用，以减少杂散噪声； 3、尽可能增强样品的辐射光强或增强池内的声共振，提高信噪比。,声敏元件： 检测样品产生的声信号的器件有微音器 、压电元件 、折射率传感器和温度传感器等 。其中微音器和压电元件较为常用。 微音器作为光声检测中的能量转换元件 ,能准确地反映压力的变 化。 压电元件广泛应用于声波的发送和接收 。,信号记录系统包括前置放大器 、同步放大器和记录仪等 。 声敏元件输出的微弱信号需要经前置放大器放大 , 然后输给 同步放大器 。同步放大器有两个输入信号 , 一个是由声敏元件传来并经放大的测量信号 ; 另一个是由斩波器与单色器之间引出的与测量信号同步的参比信号。由光敏二极管或
7、参比 光声池将光信号转变为电信号 , 作为参比信号输入到同步放 大器 。最后由记录仪记录下不同波长下光声信号的强度 , 即可获得光声光谱图 。,信号记录系统：,典型的光声光谱仪：,图4.长程光声光谱仪,图5.激光器腔内光声池光声光谱仪,与激光器腔内吸收光谱技术一样，激光器腔内光声池光声光谱技术是获得高灵敏检测的另一种措施。腔内除激光放电管以外还有光声池，由反射镜和反射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。,图6.皮秒光声光谱仪,皮秒闪光光解是现阶段常用的直接观测光解过程中产生的瞬态中间体技术。光源分为泵浦光和探测光，他们都是从同一束激光经分束来的。实验中设将YAG激光的三倍频激光（335nm）用作泵浦光，两倍频激光（530nm）为探测光。探测光相对于泵浦光有一定的时间延时。,近十几 年来 , 随着新光源 、 声传感技术以及微弱信号检测技术的不断进步 , 加上光声光谱学理论的逐步完善 , 光声光谱技术得到迅速发展 。现阶段 ,光声光谱技术已广泛应用于物理学 、化 学 、生物 医学和环境保护等众多领域,
