光聲光譜技術(shù)是基于光聲效應(yīng)的一種光譜技術(shù)，是一種研究物質(zhì)吸收光譜的新技術(shù)，已經(jīng)成為分子光譜學的一個重要分支。從1880年貝爾發(fā)現(xiàn)固體光聲效應(yīng)以來，至今已有一百多年的歷史。半導體激光器工藝發(fā)展成熟，基于光聲光譜分析技術(shù)檢測氣體成為研究熱業(yè)。具有高檢測靈敏度，快時間響應(yīng)，可連續(xù)實時監(jiān)測，小體積，可實現(xiàn)多組分氣體等優(yōu)點。應(yīng)用于石化分析、空氣污染檢測、煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測、變壓器油中溶解氣體分析、醫(yī)學呼出氣體診斷等領(lǐng)域。

日前，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院研究人員建立了基于443nm激光的差分光聲光譜儀，通過優(yōu)化光聲腔，實現(xiàn)了氣溶膠吸收和NO2的高靈敏、大流量在線采樣測量。研制的差分光聲光譜儀與商業(yè)的NOx分析儀進行了大氣NO2的比對測量研究。驗證了研制差分光聲光譜儀的可靠性。

該研究結(jié)果對進一步發(fā)展基于光聲光譜的氣溶膠吸收、NO2在線分析儀器具有重要的應(yīng)用價值，可應(yīng)用于大氣環(huán)境觀測領(lǐng)域。

光聲光譜學是光譜技術(shù)與量熱技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是20世紀70年代初發(fā)展起來的檢測物質(zhì)和研究物質(zhì)性能的新方法。光聲技術(shù)在不斷發(fā)展，已出現(xiàn)適用于氣體分析的二氧化碳激光光源紅外光聲光譜儀 ，適用于固體和液體分析的氙燈紫外-可見光聲光譜儀 ，以及傅里葉變換光聲光譜儀。光熱偏轉(zhuǎn)光譜法、光聲拉曼光譜法、光聲顯微鏡、激光熱透鏡法及熱波成像技術(shù)都在迅速發(fā)展。光聲光譜技術(shù)在物理、化學、生物學、醫(yī)學、地質(zhì)學、材料科學、智能電網(wǎng)中變壓器在線監(jiān)測等方面得到廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的光譜法中，光散射、反射是最 大的干擾，因為樣品吸收光能量的大小是通過測量透射光的強度并從入射光強度中減去透射光強度所得的差額來確定的，而光與組織相互作用過程必然伴隨著一定的反射、散射和其他的光損失，這將導致入射光強度的降低。此外，傳統(tǒng)光譜法探測的是光與組織相互作用后的透射光信號，因此樣品就必須具有一定的透光性。與之相比，光聲光譜技術(shù)所檢測的是因組織吸收光能而產(chǎn)生的超聲信號，這種超聲信號的強弱直接反映了物質(zhì)吸收光能量的大小。從而避免了因樣品中光的反射、散射等引起的信號干擾;同時，還可針對弱吸收樣品適當增大入射光的輻照功率來提高信噪比。因此，它被廣泛應(yīng)用于各種試樣檢測，如透明的或不透明的固體、液體、氣體、粉末、膠體、晶體或非晶體等，從本質(zhì)上解決了傳統(tǒng)光譜法對弱吸收、強散射、不透明等樣品檢測的難題。

光聲光譜檢測

用一束強度可調(diào)制的單色光照射到密封于光聲池中的樣品上，樣品吸收光能，并以釋放熱能的方式退激，釋放的熱能使樣品和周圍介質(zhì)按光的調(diào)制頻率產(chǎn)生周期性加熱,從而導致介質(zhì)產(chǎn)生周期性壓力波動,這種壓力波動可用靈敏的微音器或壓電陶瓷傳聲器檢測，并通過放大得到光聲信號，這就是光聲效應(yīng)。若入射單色光波長可變，則可測到隨波長而變的光聲信號圖譜，這就是光聲光譜。若入射光是聚焦而成的細束光并按樣品的x-y軸掃描方式移動,則能記錄到光聲信號隨樣品位置的變化，這就是光聲成像技術(shù)。

光聲光譜檢測的實驗裝置主要由四部分組成：激發(fā)光源、調(diào)制技術(shù)、光聲池和聲信號檢測器。

激發(fā)光源

根據(jù)光源的種類一般可分為普通光源和激光光源兩類。常用的普通光源有：鎢絲燈、碳弧燈、高壓氙燈、鹵素燈和能斯特燈等，這一類光源的特點是波長可變范圍寬、價格較便宜，但缺點是分辨率較低;

常用激光光源包括：Ar離子激光器、He-Ne激光器、CO2 激光器、半導體激光器和可調(diào)特染料激光器等，以及新發(fā)展的一種量子多級激光器，無論是哪種激光器它們都具備共同的優(yōu)點：單色性好、脈沖峰值功率大、波譜范圍寬等。在光聲譜的實驗中，無論普通光源還是激光光源作為激發(fā)光源，都必須滿足實驗對它們的共同要求：輻射光的脈沖頻率一定要在聲頻(50~1200Hz)范圍以內(nèi)。

調(diào)制技術(shù)

一般情況下脈沖光源不需要特別調(diào)制即可直接使用，但在使用連續(xù)譜光源時，則需要對光束進行調(diào)制。光調(diào)制技術(shù)包括振幅調(diào)制和頻率調(diào)制(或波長調(diào)制)，其中振幅調(diào)制較為常用，其調(diào)制方法有機械斬波器、聲-光調(diào)制和電-光調(diào)制。雖然振幅調(diào)制較為常用，但與之相比頻率調(diào)制(或波長調(diào)制)能夠消除由波長引起的如窗材料吸收等帶來的背景干擾從而提高探測靈敏度，但該調(diào)制模式僅適用于窄線寬的吸收體。

光聲池

光聲池是光聲光譜實驗的核心部分，它的設(shè)計是否合理直接影響到探測信號的靈敏度大小。為了提高探測信號的靈敏度，光聲池在設(shè)計上必須滿足以下要求：光聲池內(nèi)聲信號不受外界信號的干擾;最 大限度地降低光聲池內(nèi)激光束與池壁、窗口及聲信號探測器相互作用產(chǎn)生的干擾信號;探測器類型和靈敏度的選擇要合理;最 大化光聲池內(nèi)來自樣品的聲信號;按照待測樣品的種類和實驗的類型設(shè)置光聲池。

聲信號檢測器

光聲信號的準確檢測是光聲光譜實驗的重要環(huán)節(jié)。用于樣品聲信號檢測的儀器有很多種，如微音器、壓電傳感器、折射率傳感器和溫度傳感器等，其中較為常用的是微音器和壓電傳感器。每種類型的信號檢測器都有它的優(yōu)缺點，例如：微音器雖然探測靈敏度較高但帶寬有限，所以在光聲譜實驗中要根據(jù)具體樣品的類型和所用激發(fā)光源的情況來選擇較為合適的聲信號檢測器。

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