光声效应的应用及光声光谱技术

1880年，Bell^［1］首先在固体中观察到光声转换现象，称其为光声效应（Photoacoustic Effect）。其机理是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，即用时变的光束照射物体，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，因而激发出超声波，该超声波称光声信号。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。在各个方向探测从吸收体中传播出来的超声波，可以重建出吸收体的光吸收分布。

随着激光器和检测技术的不断发展，加上光声光谱理论的逐步完善，光声效应已广泛应用于物理、化学、生物、医学以及环境、海洋监测等多个领域。下面介绍光声效应三个主要的应用方面。

（1）光声光谱技术

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值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光谱。光声光谱是光谱技术与量热技术的组合，它直接测量光束与材料相互作用后所吸收的热量。同传统的光谱技术相比较，光声光谱技术具有下列特点：直接测量光束与材料相互作用后所吸收的热量；对散射光不敏感；样品本身就是电磁辐射的检测器。

光声光谱技术本身的特点使得它能胜任传统光谱技术难于完成或不能完成的某些工作，例如：直接探测无辐射过程，更准确地得到量子效率的数据，同时光声光谱也是直接探测无辐射跃迁过程的唯一手段；因为对散射光不敏感，可以获得强散射物质（如粉末、非晶固体、冻胶和胶体等）的吸收光谱，甚至完全不透明材料的吸收光谱；因为不依赖于光子检测技术，可以得到弱吸收材料的光谱信息；可以进行各种非波谱学的研究，如测定材料的热学和弹性性质，研究其化学反应；测定多层结构和薄膜的厚度等；因为对样品无特殊要求，可以方便地应用于各个领域，如凝聚态物理、化学、生物学、医学研究等；不需光电器件，因而不必改变检测系统就可以在很宽的波长范围内工作。仅仅要求光源足够强，窗口透过率高。20世纪70年代以来光声光谱技术已发展成一个专门的研究领域，研究对象涉及物理、化学、生物、材料等学科，并且能给半导体工业和微电子工业的研究提供一种新的研究和检测手段。

光声光谱技术检测的是样品吸收的光能与物质相互作用后产生的声能，光声光谱实际上代表了物质的光吸收谱，在照射的光强比较弱的情况下，光声效应满足线性关系，即声信号强度与光强成正比。当照射于物质的光波波长改变时，声信号的变化反映了物质的不同组分或结构，因此光声光谱技术对物质的结构和组分是非常敏感的。且对样品的形状无特殊要求，可以用于气体、固体和液体的微量分析。由于光声光谱对散射光和反射光不敏感，特别适用于颗粒、粉末、污迹和混浊液体等物质的检测与分析。由此研制成功的光谱分析工具称为光声谱仪，它广泛用于气体及各种凝聚态物质的微量甚至痕量分析中。由于它的检测灵敏度高，特别是由于它对样品材料没有限制，不论透明或不透明、固体或半固体（包括粉末、污迹、乳胶或生物样品等）都可以进行分析，从而成为传统光谱技术的补充和强有力的竞争者。(www.xing528.com)

（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，测量不同位置处产生的光声信号的振幅和相位，从而确定样品的光学、热学、弹性或几何结构，由此发展成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及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。

（3）光声多普勒技术

光声多普勒技术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，将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，如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。