光声效应

2020-12-21 14:04:22 浏览:981

定义

当物质受到周期性强度调制的光照射时,产生声信号的现象。

背景

用光照射某种媒质时,由于媒质对光的吸收会使其内部的温度改变从而引起媒质内某些区域结构和体积变化;当采用脉冲光源或调制光源时,媒质温度的升降会引起媒质的体积涨缩,因而可以向外辐射声波。这种现象称为光声效应。

光声效应是A. G. Bell于1880年发现的,当时他正在用光线电话向美国科学院陈述科学进展,最初是在固体试样中,之后在气体和液体试样中亦观察到同样的现象。他所研制的新仪器包括语音活性镜,硒池子以及电话接收器。太阳辐射光由语音活性镜调制后反射通过扬声器的振动,之后由抛物镜聚焦在一定位置,在其焦点位置放置一个灵敏的硒池,硒池连接着带有干电池的电子学器件和电话。因硒的阻抗随着入射光强变化,调制的太阳光产生电子学上的语音,即声音信号。

物理原理

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。

光声效应的应用

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以下几个方面:

1、光声谱技术。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。

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。光声效应的发展前景很被有关专家看好。

3、光声多普勒技术。光声多普勒技术就是在光声转换的基础上发展起来的。光声效应是物质吸收了调制光能,吸收的光能转化成热能,在物质内部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压力的周期性变化,因而产生声信号,其频率与光调制频率相同。如果光吸收物质是运动的,由于多普勒效应,观察者接收到的声波会发生频移。由于传统的超声成像和激光成像依赖于超声或光的散射,对于毛细血管低速血流的成像有一定困难。光声多普勒技术依赖于物质的光吸收系数,肿瘤的黑色素以及血液中血红蛋白有很高的光吸收系数,因此光声多普勒技术在医学上可以用来测量血流流速以及血流成像。

参考文献

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光声成像

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