一種高信噪比的雙光束激光光聲光譜儀原理及應(yīng)用

一種高信噪比的雙光束激光光聲光譜儀原理及應(yīng)用

 摘要：作為一種新興的檢測(cè)手段，激光光聲光譜技術(shù)與其他檢測(cè)技術(shù)相比具有很多優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的光 聲光譜儀用激光做光源，有兩個(gè)光聲池，分別用來放置參考樣品和待測(cè)樣品，輸出結(jié)果為二者光聲信號(hào)的 比值。利用這一比值，可以由參考樣品的性能參數(shù)方便地求出待測(cè)樣品的相關(guān)性能參數(shù)。該光聲光譜儀 有效地減小了本底吸收噪聲的影響，提高了信噪比，擴(kuò)大了固體光聲理論的應(yīng)用范圍。本文還闡述了該光 聲光譜儀在定性定量分析中的一些應(yīng)用。 早在1880年，Bell就發(fā)現(xiàn)了光聲效應(yīng)。1963年，Rosenewaig和Gersho在研究凝聚態(tài)物質(zhì)光聲效 應(yīng)基本原理的基礎(chǔ)上創(chuàng)立了R—G理論，開始了光聲光譜技術(shù)的應(yīng)用。光聲光譜法具有很多優(yōu)點(diǎn)，如 靈敏度高；非破壞性；普適性強(qiáng)，特別適用于傳統(tǒng)光譜難以測(cè)定的不透明、高反射、高散射樣品；而且， 它還是唯一可用來檢測(cè)樣品剖面吸收譜的技術(shù)。頻譜分析儀| 電池測(cè)試儀| 相序表| 萬用表| 功率計(jì)| 示波器| 電阻測(cè)試儀| 電阻計(jì)| 電表| 鉗表| 高斯計(jì)| 電磁場(chǎng)測(cè)試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測(cè)試儀| 電容表|
近幾年，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光光聲光譜技術(shù)也逐漸成熟起來，并且已被廣泛地應(yīng)用于各門學(xué)科的研究之中。 本文設(shè)計(jì)的雙光束激光光聲光譜儀以激光為光源，使用兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的光聲池，分別用來放 置參考樣品和待測(cè)樣品。兩樣品的光聲信號(hào)通過除法器相除，有效地消除了本底噪聲的影響，提高了 信噪比，又直觀地反應(yīng)了二者性質(zhì)的異同，而且避免了對(duì)光聲信號(hào)進(jìn)行歸一化處理。
設(shè)計(jì)原理 當(dāng)物體受到光照射時(shí)，全部或部分地吸收光能量，樣品分子被激發(fā)至高能級(jí)，然后通過無幅射弛 豫釋放吸收的能量，由此產(chǎn)生熱效應(yīng)。光聲光譜技術(shù)就是通過測(cè)量樣品由于溫度的變化而產(chǎn)生的聲 波，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的光學(xué)，熱學(xué)，聲學(xué)以及其他性質(zhì)的測(cè)量【1I2J。 對(duì)于雙能級(jí)系統(tǒng)，處于基態(tài)Eo的分子吸收頻率為￡，光子后，躍遷到激發(fā)態(tài)EIo受激分子返回 到基態(tài)E0的途徑主要有：
1，輻射去激勵(lì)：釋放一個(gè)頻率為c，的光子；
2，無輻射去激勵(lì)：與另一分子相碰，將吸收的光能轉(zhuǎn)化為兩分子的平移動(dòng)能，使物體受到加熱。 強(qiáng)度調(diào)制的入射光照射到樣品上時(shí)，會(huì)在樣品內(nèi)激發(fā)相同調(diào)制頻率的熱流，熱流在樣品和周圍介 質(zhì)中傳播，從而引起介質(zhì)振動(dòng)，產(chǎn)生交變的聲壓擾動(dòng)，利用高靈敏度的傳聲器能檢測(cè)到由此產(chǎn)生的聲 信號(hào)。由于光聲信號(hào)的大小依賴于以下因素：樣品對(duì)入射光的吸收系數(shù)p；被吸收光轉(zhuǎn)換成熱的轉(zhuǎn)換 系數(shù)；熱量在樣品內(nèi)部和周圍介質(zhì)的擴(kuò)散。所以，通過光聲信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品光學(xué)，熱學(xué)，聲學(xué)等 性質(zhì)的檢測(cè)。 氣體光聲理論 當(dāng)入射光的調(diào)制頻率低于光聲池的最低階模式的簡正頻率時(shí)，光聲腔工作在的非共振模式，光 聲信號(hào)可以表示為u．2J： (y一1)lI IJ(r， ) V A( )= ——————L■——一 (1) V (1+上) (￡，r 其中盧=Na。式中盧，y，N，盯，r分別為樣品的吸收系數(shù)，熱容比，氣體的濃度，分子吸收橫界 面，平面波模式的阻尼時(shí)間。 樣品為混合氣體時(shí)，以被樣品吸收的光為對(duì)象，并假設(shè)光強(qiáng)沒變化，光聲信號(hào)為： A ：R，Jof ΣN ≈R，J 。 ΣN (2) 其中 =npo。式中，R 為系統(tǒng)的光聲電轉(zhuǎn)換系數(shù)，Jo 為波長為．=If的入射光強(qiáng)，島為樣品氣體J 在入射波長為 i時(shí)的吸收系數(shù)，Nj為樣品氣體 的濃度， 為氣體 的分子吸收橫界面。 利用(1)式和(2)式，可以求出氣體樣品的無輻射馳豫時(shí)間，吸收光譜，分子濃度等。 固體光聲理論 設(shè)波長為．=I的入射光 受到正弦調(diào)制：J=告Jo(1+COSmt)，又假定只有樣品吸收入射光，吸收 系數(shù)為|l9，光聲池中氣體及窗口不吸收入射光，根據(jù)R—G理論，樣品的光聲信號(hào)的表達(dá)式為n·2】： (z) Po 70 e州 (3) 丹一 Q r! 二 2 1魚± 2竺貍! 2二! ± 2 1壘二 2呈翌(二 2± !魚二 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分別為初始的氣壓和溫度，呀為被吸收的光能通過無輻射退激發(fā)轉(zhuǎn)換成熱能的效率，z、 、’，分別為樣品厚度、氣體長度、氣體絕熱常數(shù)，暢(J／em·s·℃)、Cf(J ·℃)、af=(∞／2口f) (cm-1)、口 =／~i／(piCi)(cm2／s)、pi(g／cm3)分別為熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)、熱擴(kuò)散率、密度、比熱。其中∞ =2 廠，f是斬波頻率，下標(biāo)i可取 g、b，分別代表樣品、氣體、襯底。 利用(3)式及其簡化公式⋯1，可以計(jì)算出固體樣品的光聲信號(hào)的幅值和相位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的 厚度，吸收譜，光吸收系數(shù)，熱擴(kuò)散率等性質(zhì)的測(cè)量。 由(1)一(3)式可知，利用光聲光譜技術(shù)進(jìn)行定量定性分析時(shí)，計(jì)算過程十分復(fù)雜，而且必須知道 樣品的一些性能參數(shù)。此外，對(duì)固體樣品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，目前的光聲理論主要適用于形狀簡單，表面平 坦的樣品 J。本文設(shè)計(jì)的雙光束激光光聲光譜儀很好地解決了這些問題。 雙光束激光光聲光譜儀的設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的雙光束激光光聲光譜儀有兩個(gè)光聲池，同時(shí)對(duì)參考樣品和待測(cè)樣品進(jìn)行檢測(cè)，再將它 們的光聲信號(hào)相除，輸出的比值由記錄儀記錄。由于參考樣品的性能參數(shù)已知，利用參考樣品和待測(cè) 樣品光聲信號(hào)的比值，可以方便地求出待測(cè)樣品的相關(guān)性能參數(shù)。這種基于比值法的光聲光譜儀減 小了由于光聲池的窗口吸收造成的本底噪聲對(duì)測(cè)量精確度的影響，提高了信噪比，而且彌補(bǔ)了光聲理 論在固體檢測(cè)上的一些局限。原理框圖如下：
№ ．1 Schematicdiagram ofthedouble-beam laser photoacoustic spectremeter 該光聲光譜儀使用激光做光源，經(jīng)斬波器調(diào)制后的光信號(hào)通過半反半透棱鏡后分成兩束強(qiáng)度完 全相同的光，通過聚焦透鏡分別進(jìn)入光聲池A和B；光聲池A和B的結(jié)構(gòu)和性能相同，分別用來放置 參考樣品和待測(cè)樣品；若樣品為形狀復(fù)雜或表面不平坦的固體，它們?cè)诠饴暢刂械奈恢脩?yīng)相同，確保 掃描時(shí)兩束光始終聚焦在兩樣品表面相同的點(diǎn)上；若樣品為液體或粉末，它們應(yīng)有相同的厚度；兩個(gè) 光聲池位于同一平臺(tái)上，平臺(tái)受步進(jìn)電機(jī)的控制，可以上下移動(dòng)，保證當(dāng)入射光的波長或樣品表面形 狀變化時(shí)光束一直聚焦在兩樣品表面某一點(diǎn)上；平臺(tái)也可以前后左右移動(dòng)，使激光束在樣品表面進(jìn)行 掃描。 設(shè)入射波長為 時(shí)參考樣品和待測(cè)樣品的光聲信號(hào)分別為sl( )和s2( )，光聲池A和B的本 底噪聲分別為N1( )和N2( )，由于兩個(gè)光聲池完全相同，則Nl( )=N2( )=N( )。所以，光聲 池A和B的輸出信號(hào)分別為s1( )+N( )和S2( )+N( )，系統(tǒng)的信噪比為：s～ 磊S1( ) +N( )。 。 一[S1( )一+NS2( )]SN2( )、／SN2( ) 所以，該雙光束光譜儀與單光束光聲譜儀相比有更高的信噪比，而且當(dāng)參考樣品與待測(cè)樣品的性 能參數(shù)相近時(shí)，幾乎可以完全消除本底噪聲的影響。 雙光束光聲光譜儀的應(yīng)用 氣體，液體成分分析 由(1)式和(2)式可以看出，在非飽和吸收的條件下，氣體光聲信號(hào)正比于入射光功率和試樣的濃 度。利用本文設(shè)計(jì)的光聲光譜儀，在光聲池A中充人濃度N1已知的氣體口，光聲池B中充人含有氣 體口的多組分混合氣體，其中氣體口的濃度N2未知。選擇適當(dāng)波長的的入射光，盡量避免氣體口受 到混合氣體中其他氣體成分的干擾。由于光聲池A，B的入射光強(qiáng)相同，輸出的結(jié)果就是兩種樣品 r一 中氣體口濃度的比值 。
由光聲池A 中氣體口的濃度N1，可以求出混合氣體中氣體口的濃度N2。 』’l 對(duì)于液體樣品，由于在溶液濃度不太大的條件下，它的光聲信號(hào)強(qiáng)度與其濃度成線性關(guān)系[3I。 根據(jù)這一理論，使用該光聲光譜儀也可以對(duì)溶液中的微量成分及其含量進(jìn)行檢測(cè)，這里不再贅述。 固體材料性能檢測(cè) 在實(shí)際應(yīng)用中，常常要判斷樣品是否符合標(biāo)準(zhǔn)，或樣品性質(zhì)是如何隨外界條件的變化而變化的。 王培吉等利用激光壓電光聲技術(shù)對(duì)形狀簡單，表面平坦的樣品進(jìn)行了缺陷檢測(cè)[引，下面用本文設(shè)計(jì) 的光聲光譜儀來實(shí)現(xiàn)這一功能。 將標(biāo)準(zhǔn)器件和待測(cè)器件分別放人兩個(gè)光聲池A，B內(nèi)，并確保掃描時(shí)兩束光能始終匯聚在兩器件 表面相同的點(diǎn)上。
然后，用某一波長的激光做光源，同時(shí)光聲池平臺(tái)在步進(jìn)電機(jī)的控制下移動(dòng)，使激 光在器件表面上掃描，并且一直聚焦在器件表面。激光束掃描到缺陷處時(shí)系統(tǒng)輸出不為1，據(jù)此可以 推斷出缺陷的位置a，b，C，并可由輸出值相對(duì)1的大小確定缺陷的尺寸；在非缺陷處，輸出的結(jié)果 為1。 用相同的方法，本文的光聲光譜儀還可以對(duì)形貌復(fù)雜，表面不平坦，成分不均勻的樣品進(jìn)行檢測(cè)。 其他方面的應(yīng)用 醫(yī)學(xué)上，對(duì)患病組織的特性進(jìn)行研究對(duì)于疾病的診斷和治療是很有意義的。馮永振，符運(yùn)良和唐 志列等對(duì)病變組織的光聲信號(hào)用碳黑進(jìn)行歸一化處理，得到病變組織的吸收光譜。利用本文設(shè)計(jì)的 光聲光譜儀，將正常組織和病變組織放置到兩個(gè)光聲池中，連續(xù)改變?nèi)肷浼す獾牟ㄩL。記錄輸出結(jié)果 不為1時(shí)所用的波長和輸出的結(jié)果，就得到該疾病的特異吸收譜，獲得正常組織和病變組織之間的物 理和化學(xué)特征差異，為研究和診斷疾病提供有價(jià)值的信息。

 此外，該光聲光譜儀在半導(dǎo)體表面和亞表面的性能確定，基片一薄膜、稀土、晶體、催化劑檢測(cè)、谷 物中農(nóng)藥含量、藥片中添加劑含量、食品中著色劑含量分析等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景。 結(jié)束語 光聲光譜技術(shù)具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景十分誘人。本文設(shè)計(jì)的雙光束激光光聲光譜儀 具有應(yīng)用范圍更廣泛，信噪比更高，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)�樣品的性能進(jìn)行定性和定量地分析。相 信隨著雙光束激光光聲光譜法的不斷完善和發(fā)展，它將為成為一種更加有力的檢測(cè)工具。