一种高信噪比的双光束激光光声光谱仪原理及应用

一种高信噪比的双光束激光光声光谱仪原理及应用

摘要：作为一种新兴的检测手段，激光光声光谱技术与其他检测技术相比具有很多优点。本文设计的光 声光谱仪用激光做光源，有两个光声池，分别用来放置参考样品和待测样品，输出结果为二者光声信号的 比值。利用这一比值，可以由参考样品的性能参数方便地求出待测样品的相关性能参数。该光声光谱仪 有效地减小了本底吸收噪声的影响，提高了信噪比，扩大了固体光声理论的应用范围。 电池测试仪| 相序表| 万用表| 功率计| 示波器| 电阻测试仪| 电阻计| 电表| 钳表| 高斯计| 电磁场测试仪| 电源供应器|
本文还阐述了该光 声光谱仪在定性定量分析中的一些应用。 早在1880年，Bell就发现了光声效应。1963年，Rosenewaig和Gersho在研究凝聚态物质光声效 应基本原理的基础上创立了R—G理论，开始了光声光谱技术的应用。光声光谱法具有很多优点，如 灵敏度高；非破坏性；普适性强，特别适用于传统光谱难以测定的不透明、高反射、高散射样品；而且， 它还是唯一可用来检测样品剖面吸收谱的技术。近几年，随着激光技术的发展，激光光声光谱技术也逐渐成熟起来，并且已被广泛地应用于各门学科的研究之中。

本文设计的双光束激光光声光谱仪以激光为光源，使用两个结构完全相同的光声池，分别用来放 置参考样品和待测样品。两样品的光声信号通过除法器相除，有效地消除了本底噪声的影响，提高了 信噪比，又直观地反应了二者性质的异同，而且避免了对光声信号进行归一化处理。 ‘ 设计原理 当物体受到光照射时，全部或部分地吸收光能量，样品分子被激发至高能级，然后通过无幅射弛 豫释放吸收的能量，由此产生热效应。光声光谱技术就是通过测量样品由于温度的变化而产生的声 波，从而实现对样品的光学，热学，声学以及其他性质的测量【1I2J。 对于双能级系统，处于基态Eo的分子吸收频率为￡，光子后，跃迁到激发态EIo受激分子返回 到基态E0的途径主要有： 1，辐射去激励：释放一个频率为c，的光子；
2，无辐射去激励：与另一分子相碰，将吸收的光能转化为两分子的平移动能，使物体受到加热。 强度调制的入射光照射到样品上时，会在样品内激发相同调制频率的热流，热流在样品和周围介 质中传播，从而引起介质振动，产生交变的声压扰动，利用高灵敏度的传声器能检测到由此产生的声 信号。由于光声信号的大小依赖于以下因素：样品对入射光的吸收系数p；被吸收光转换成热的转换 系数．，l；热量在样品内部和周围介质的扩散。所以，通过光声信号可以实现对样品光学，热学，声学等 性质的检测。 气体光声理论 当入射光的调制频率低于光声池的最低阶模式的简正频率时，光声腔工作在的非共振模式，光 声信号可以表示为u．2J： (y一1)lI IJ(r， ) V A( )= ——————L■——一 (1) V (1+上) (￡，r 其中卢=Na。式中卢，y，N，盯，r分别为样品的吸收系数，热容比，气体的浓度，分子吸收横界 面，平面波模式的阻尼时间。 样品为混合气体时，以被样品吸收的光为对象，并假设光强没变化，光声信号为： A ：R，Jof ΣN ≈R，J 。 ΣN (2) 其中 =npo。式中，R 为系统的光声电转换系数，Jo 为波长为．=If的入射光强，岛为样品气体J 在入射波长为 i时的吸收系数，Nj为样品气体 的浓度， 为气体 的分子吸收横界面。 利用(1)式和(2)式，可以求出气体样品的无辐射驰豫时间，吸收光谱，分子浓度等。 固体光声理论 设波长为．=I的入射光 受到正弦调制：J=告Jo(1+COSmt)，又假定只有样品吸收入射光，吸收 系数为|l9，光声池中气体及窗口不吸收入射光，根据R—G理论，样品的光声信号的表达式为n·2】： (z) Po 70 e州 (3) 丹一 Q r! 二 2 1鱼± 2竺狸! 2二! ± 2 1垒二 2呈翌(二 2± !鱼二 2 !二 ．2 1 一2x ( 一盯 ) (g+1)(6+1)exp(ag)一(g—z)(6—1)exp(一盯 )一 一J 6 = ， g = ， r = O"s = 2-~a(1一 )， =(1+ )式中，Po、To分别为初始的气压和温度，呀为被吸收的光能通过无辐射退激发转换成热能的效率，z、 、’，分别为样品厚度、气体长度、气体绝热常数，畅(J／em·s·℃)、Cf(J ·℃)、af=(∞／2口f) (cm-1)、口 =／~i／(piCi)(cm2／s)、pi(g／cm3)分别为热导率、热扩散系数、热扩散率、密度、比热。其中∞ =2 厂，f是斩波频率，下标i可取 g、b，分别代表样品、气体、衬底。 利用(3)式及其简化公式⋯1，可以计算出固体样品的光声信号的幅值和相位，从而实现对样品的 厚度，吸收谱，光吸收系数，热扩散率等性质的测量。 由(1)一(3)式可知，利用光声光谱技术进行定量定性分析时，计算过程十分复杂，而且必须知道 样品的一些性能参数。此外，对固体样品进行检测时，目前的光声理论主要适用于形状简单，表面平 坦的样品 J。本文设计的双光束激光光声光谱仪很好地解决了这些问题。 双光束激光光声光谱仪的设计 本文设计的双光束激光光声光谱仪有两个光声池，同时对参考样品和待测样品进行检测，再将它 们的光声信号相除，输出的比值由记录仪记录。由于参考样品的性能参数已知，利用参考样品和待测 样品光声信号的比值，可以方便地求出待测样品的相关性能参数。这种基于比值法的光声光谱仪减 小了由于光声池的窗口吸收造成的本底噪声对测量精确度的影响，提高了信噪比，而且弥补了光声理 论在固体检测上的一些局限。原理框图如下： № ．1 Schematicdiagram ofthedouble-beam laser photoacoustic spectremeter 该光声光谱仪使用激光做光源，经斩波器调制后的光信号通过半反半透棱镜后分成两束强度完 全相同的光，通过聚焦透镜分别进入光声池A和B；光声池A和B的结构和性能相同，分别用来放置 参考样品和待测样品；若样品为形状复杂或表面不平坦的固体，它们在光声池中的位置应相同，确保 扫描时两束光始终聚焦在两样品表面相同的点上；若样品为液体或粉末，它们应有相同的厚度；两个 光声池位于同一平台上，平台受步进电机的控制，可以上下移动，保证当入射光的波长或样品表面形 状变化时光束一直聚焦在两样品表面某一点上；平台也可以前后左右移动，使激光束在样品表面进行 扫描。 设入射波长为 时参考样品和待测样品的光声信号分别为sl( )和s2( )，光声池A和B的本 底噪声分别为N1( )和N2( )，由于两个光声池完全相同，则Nl( )=N2( )=N( )。所以，光声 池A和B的输出信号分别为s1( )+N( )和S2( )+N( )，系统的信噪比为：s～ 磊S1( ) +N( )。 。 一[S1( )一+NS2( )]SN2( )、／SN2( ) 所以，该双光束光谱仪与单光束光声谱仪相比有更高的信噪比，而且当参考样品与待测样品的性 能参数相近时，几乎可以完全消除本底噪声的影响。 双光束光声光谱仪的应用 气体，液体成分分析 由(1)式和(2)式可以看出，在非饱和吸收的条件下，气体光声信号正比于入射光功率和试样的浓 度。利用本文设计的光声光谱仪，在光声池A中充人浓度N1已知的气体口，光声池B中充人含有气 体口的多组分混合气体，其中气体口的浓度N2未知。选择适当波长的的入射光，尽量避免气体口受 到混合气体中其他气体成分的干扰。由于光声池A，B的入射光强相同，输出的结果就是两种样品 r一 中气体口浓度的比值 。由光声池A 中气体口的浓度N1，可以求出混合气体中气体口的浓度N2。 』’l 对于液体样品，由于在溶液浓度不太大的条件下，它的光声信号强度与其浓度成线性关系[3I。 根据这一理论，使用该光声光谱仪也可以对溶液中的微量成分及其含量进行检测，这里不再赘述。 固体材料性能检测 在实际应用中，常常要判断样品是否符合标准，或样品性质是如何随外界条件的变化而变化的。 王培吉等利用激光压电光声技术对形状简单，表面平坦的样品进行了缺陷检测[引，下面用本文设计 的光声光谱仪来实现这一功能。 将标准器件和待测器件分别放人两个光声池A，B内，并确保扫描时两束光能始终汇聚在两器件 表面相同的点上。然后，用某一波长的激光做光源，同时光声池平台在步进电机的控制下移动，使激 光在器件表面上扫描，并且一直聚焦在器件表面。激光束扫描到缺陷处时系统输出不为1，据此可以 推断出缺陷的位置a，b，C，并可由输出值相对1的大小确定缺陷的尺寸；在非缺陷处，输出的结果 为1。 用相同的方法，本文的光声光谱仪还可以对形貌复杂，表面不平坦，成分不均匀的样品进行检测。 其他方面的应用 医学上，对患病组织的特性进行研究对于疾病的诊断和治疗是很有意义的。冯永振，符运良和唐 志列等对病变组织的光声信号用碳黑进行归一化处理，得到病变组织的吸收光谱。利用本文设计的 光声光谱仪，将正常组织和病变组织放置到两个光声池中，连续改变入射激光的波长。记录输出结果 不为1时所用的波长和输出的结果，就得到该疾病的特异吸收谱，获得正常组织和病变组织之间的物 理和化学特征差异，为研究和诊断疾病提供有价值的信息。 此外，该光声光谱仪在半导体表面和亚表面的性能确定，基片一薄膜、稀土、晶体、催化剂检测、谷 物中农药含量、药片中添加剂含量、食品中着色剂含量分析等领域也有广泛的应用前景。 结束语 光声光谱技术具有一系列独特的优点，应用前景十分诱人。本文设计的双光束激光光声光谱仪 具有应用范围更广泛，信噪比更高，使用方便等优点，能够对样品的性能进行定性和定量地分析。相 信随着双光束激光光声光谱法的不断完善和发展，它将为成为一种更加有力的检测工具。