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光声光谱学

[拼音]:guangsheng guangpuxue

[外文]:photoacoustic spectroscopy

以光声效应为基础的一种新型光谱分析检测技术。它是光谱技术与量热技术结合的产物,是20世纪70年代初发展起来的检测物质和研究物质性能的新方法。

简史

1880年A.G.贝尔发现固体的光声效应,1881年他又和J.廷德尔和W.K.伦琴相继发现气体和液体的光声效应。他们将气体密封于池子里,用阳光间断照射池中样品,通过接到池上的一个听筒听到了某种声响。

20世纪60年代以后,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研究发现,光声光谱是一种很有前途的新技术。

原理

用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上,样品吸收光能,并以释放热能的方式退激,释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热,从而导致介质产生周期性压力波动,这种压力波动可用灵敏的微音器或压电陶瓷传声器检测,并通过放大得到光声信号,这就是光声效应。若入射单色光波长可变,则可测到随波长而变的光声信号图谱,这就是光声光谱。若入射光是聚焦而成的细束光并按样品的x-y轴扫描方式移动,则能记录到光声信号随样品位置的变化,这就是光声成像技术。

仪器

光声光谱的设备及其原理如图所示。

入射光为强度经过调制的单色光,光强度调制可用切光器。光声池是一封闭容器,内放样品和传声器。图中所示的是固体样品,样品周围充以不吸收光辐射的气体介质,如空气。若是液体或气体样品,则用样品充满光声池。传声器应很灵敏,对于气体样品,电容型驻极体传声器比较适宜,它配以电子检测系统可测 10-6℃的温升或10-9焦/迕?sup>3·秒)的热量输入。对于液体和固体样品,较好采用与样品紧密接触的压电陶瓷检测器。

应用

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,所以它是提供表面不同深度结构信息的无损探测方法。光声技术是无机和有机化合物、半导体、金属、高分子材料等方面物理化学研究的有力手段,在物理、化学、生物学、医学、地质学方面得到广泛应用。

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。光热偏转光谱法、光声喇曼光谱法、光声显微镜、激光热透镜法及热波成像技术都在迅速发展。

参考书目

A.Rosencwaig,Photoacoustics and Photoacoustic Spectroscopy,John Wiley & Sons, New York, 1980.

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