关于开展光声光谱学相关实验的可行性报告

1、关于开展光声光谱学相关实验的可行性分析张硕主要内容一、光声光谱简介二、理论简介三、实验方法及仪器四、可行性分析及总结五、参考文献历史及现状 1880年，美国科学家，贝尔电话公司的创始人Bell首先在固体中发现了光声现象，不久后，Bell和科学家Tyndall 和Ronetgen在1881年各自独立进行了气体和液体的光声实验。然而限于光源和信号检测技术方面的缺陷，此后几十年光声技术的研究几乎没有什么实质性的发展。 20世纪70年代声随着弱信号检测技术的不断积累和发展，高灵敏度微音器和压电陶瓷的出现，以及各种激光器的相继问世，光声技术得到广泛的重视，尤其在微量气体检测方面，光声技术获得了广泛的研究

2、和发展。历史及现状 1968年，Kerr和Atwood首次公布了利用激光光声光谱的方法检测微量气体，Kreuzer等人在1971年应用氦氖激光器，测量极限达到 0.01ppm(10的负6)并从理论上论证了用激光作光源的光声光谱测量可以使微量气体检测的灵敏度达到0.1ppt(10的负13)，1990年，F.J.M.Harren等人设计气体光声检测系统，检测灵敏度达到20ppt。1996年，F.G.e.Bjnen进一步优化设计了基于二氧化碳激光器的内腔式光声光谱检测系统，检测灵敏度达到了6ppt。1另外Petel 和Tam2、West3、Edward4等人各自对不同时期择重不同地对光声光谱学的研究

3、状况及应用成果作过综述。5基本原理 常温下，物质吸收了光能后，许多分子从出去电子及台的最低震动能级跃迁到激发态，由于不稳定，分子已非常快的速度，通过各种途径回到基态。其中光声光谱法是指物质吸收光后，经过无辐射跃迁(放热)回到初始状态，即由光能转变成热能的过程而进行测定的光谱法。基本原理光声效应可以分为三步,如左图所示。样品吸收特定波长的调制光(调制频率在声波范围内) 光子,处于激发态; 样品通过分子间碰撞以热的方式释放吸收的能量,使得气体受热(具有周期性) ; 受热气体膨胀产生热声波(频率与调制光源频率相同) 。6基本原理 根据气体光声光谱学,不同气体对光有不同的吸收光谱特性，每一种气体都有自

4、己的吸收光谱,也就是在不同的波长处产生较大吸收,采用某种单一波长的光照射气体,只有某种特定气体产生较大吸收,从而可以通过控制滤波器的波长来实现传感器的高选择性以及多组分探测。 6理论简介首先光声技术在测量气体和凝聚态物质时所用的理论是不一样的。具体来说光声技术就是利用光吸收和声激发之间的对应关系，通过对声信号的探测从而了解光吸收过程。对于气体来说，由于光吸收激发的声波频率由调制频率确定;而其强度则只与可吸收该窄带光谱的特征气体的体积分数有关，因此，建立气体体积分数与声波强度的定量对应关系，就可以准确计量样品池中各气体的体积分数。许多学者对光声光谱作了大量的理论分析研究。光声信号的产生涉及两个方

5、面:热的产生和声波的形成。而理论推导和计算也是从这两方面展开的。光声光谱的经典理论在文献10中有详细的介绍。理论简介至于凝聚态物体(固体、液体) ，Rosencwaig 和Gersho在1975 年对固体光声效应所作的理论推导,它系统地论述了凝聚态物质中光声效应的产生机理，清晰地说明了与试样接触的气体中光声信号产生的物理过程。他们这种后来称为R-G理论的唯象模型,是凝聚态光声效应的经典理论。R-G理论给出了试样和空气中一维温度场的严格表达式，并用近似方法处理气体中产生的光声信号，得到了对大部分实验情况有效的理论结果。下面是其给出的光声信号表达式：实验方法实验方法实验方法实验仪器一、光源： 8光

6、源随样品的种类而异，对于固体样品多采用紫外、可见光源，分析气体多采用红外光源。1、连续谱光源(氙灯等)实验仪器(1)氙灯(1000W) 光声光谱中最普遍的非相干光源是高压氙灯。其工作压力为5070个大气压，是2302000nm区域中很有效的强光发射体，发射光谱主要呈连续状，在8001000nm之间有几条强谱线。灯泡材料有石英和陶瓷两种。 作为波长可变光源一般与单色仪组合使用。当狭缝变窄光强度就会显著减弱，因此要得到1纳米一下的高分辨率相当困难。所以，氙灯光源常用于光声谱宽的固体和液体试样的测定。实验仪器(2)白炽碳棒白炽碳棒是一种红外光源。碳棒是在氩气中通电的，可得到2500K左右的热辐射温度

7、，碳棒的寿命是400小时左右，所需功率为4千瓦(9.8伏，400安)。电极部分用水冷却，腔罩用溴化钾窗，这样更容易输出热辐射实验仪器2、激光光源8激光光源具有单色性强，脉冲峰值功率大，相干性好且连续可调等优点，是光声光谱最理想的光源。 不同的样品和不同的分析目的，可采用不同的激光器。对于气体和大气污染物的分析，可采用可调谐的红外激光器，如光参量激光器等。若测定某些特定的气体可用固定波长的激光器作光源。如测定甲烷可用氦氖激光器(3.39微米)，测定一氧化氮可用二氧化碳激光器(10.6微米)。对于固体或液体物质可采用可调谐染料激光器。实验仪器3、同步辐射光源另外同步辐射光源用于光声光谱，具有高灵敏

8、度和高稳定性的优点，可大大扩展光声光谱的研究范围，苏庆德等首次在同步辐射紫外一可见光区建立起光声光谱装置，在185一650nm波段得到了稳定且达毫伏量级光声信号同步辐射光源在光声中的应用，将光声谱拓展到高能辐射区，为光声光谱带来了突破性的进展。 8实验仪器二、光斩波器8光斩波器的目的是产生气体周期性的压力起伏声波。光在调制中强度发生100%变化时，称为断续光，其他情况称为调制光。光斩波器只要分为以下三类：1、机械式能进行10Hz1kHz范围内的调制，它的优点是简单廉价，但是产生机械振动可能会对测量产生干扰。2、电源调制式能进行10Hz10kHz范围内的调制，它的优点是没有机械振动，是目前主要的

9、斩波器种类。3、光调制器主要进行更高频率的调制，能很容易产生10MHz的高频调制光，缺点是价格比较昂贵。实验仪器实验仪器三、光声池光声池是整个实验中最重要的装置，它的好坏直接影响实验的结果。光声池从用途来分可以分成两类，测量气体的和测量固体与液体的，以及某些特殊场合使用的开放型光声池。而气体的光声池又分为两类：非谐振式光声池和谐振式光声池。非谐振式光声池是将气体密封在腔室中,气体受热膨胀,从而检测到光声信号,此类光声池需要密封且灵敏度较低。谐振式光声池是指入射光的调制频率与光声池的声学共振频率一致，它的原理是声波在腔体中传输,若声波能在腔室中谐振形成驻波,则无需密封腔室,且起到共振放大的作用。

10、实验仪器 以上两种光声池都是固体用的光声池，右面这种是使用较多的一种，它有一个好处就是避免散射光照到未引起的震动片上影响测量结果。此外现在还有一种开放式光声池，用压电陶瓷制成微音器。这种光声池正在逐步兴起。实验仪器常见的三种声学共振腔: (1) 赫姆霍兹谐振腔:共振腔由一空穴和其连接的颈部构成。基本模型是弹簧质量块模型, 空穴中气体充当弹簧作用, 颈部气体相当于质量块。实验仪器(2) 一维共振腔:如果共振腔的截面尺寸远小于声波波长,则被激发的声波信号只沿共振腔长度方向变化,这种腔体可以被认为是一维共振腔, 两端都开口或封闭的腔体要求长度是半波长的整数倍，一端开口一端闭口的腔体,要求长度是1/

11、4 波长的奇数倍。共振频率都是有公式可以计算的。实验仪器(3) 空穴式共振腔:当共振腔的截面尺寸于声波波长相当时,将产生于一维谐振腔截然不同的共振,驻波形式和共振频率依靠腔体的形状和尺寸。实验仪器 激光光束在光声池处的直径约为3.2mm，声共振管的直径取为10mm，共振管长100mm。共振管两端是两个缓冲室，直径70mm，长50mm(1/4声波波长)，缓冲室两端用Znse材料的Brewster窗密封。整个光声池用黄铜制成，内外表面镀镍防止腐蚀性气体的氧化和腐蚀。大连理工现在在用的光声池结构及参数：实验仪器左图为美国麻省理工学院制作的光声池的实物及结构图。它采用半导体激光器作为光源,通过微机械技

12、术 MEMS (Micro-Electro- Mechanical System)加工制作微型光声腔体,采用光学麦克风检测声信号,构成光声传感器,实现了对微量气体的检测,检测灵敏度达到10 的负6次方实验仪器四、微音器 微音器主要是测量由光调制信号产生的调制声信号。根据测量原理的不同可以分为三类，电容式微音器、驻极体式微音器和压电式微音器，它们分别应用于不同的地方，前两种主要是用来测气体试样，最后一种是测固、液体试样。(1)电容式微音器 顾名思义，就是利用电容的原理作测量的微音器，它具有结构简单，频率响应平坦，性能比较稳定的特点。(2)驻极体式微音器 所谓驻极体(electret)是具有半永久

13、性极化作用的电介质。实际上的原理也是利用电容的原理进行测量的。它具有体积小，价格低的优点，但是作为光声光谱的微音器其灵敏度稍低。实验仪器(3)压电式微音器 这种微音器是利用压电效应(piezoelectric effect)进行测量的微音器。主要是测量凝聚态材料用的。具有居里点高(约350度)在高温下也可使用；温度系数小；频率响应范围宽(可达10MHz以上)；对于湿度及时间的变化都较稳定；价格便宜，加工方便等优点。实验仪器五、锁相放大器及数据处理：锁相放大器主要是用来预处理从微音器传过来的电压信号，并进行去噪和放大(需要使用前置放大器)还有整波等功能，最后将信号传到计算机中。实验仪器数据处理：

14、激光功率的监测、光声信号的振幅和位相测量还有高压电源模块的压控值都由锁相放大器(ND202或ND203)和它高精度16位A/D转换器完成，锁相放大器通过GPIB(通用总线接口技术)接口将测量数据传送给计算机，而实验控制程序是利用美国国家仪器公司Nl(National Instruments)的产品Labview来设计完成的。另外光谱数据的后期处理则是通过HITRAN数据库和数据库辅助光谱选择软件JavaHAWAKS来处理。HITRAN简介 HITRAN是high-resolution transmission molecular absorption database的缩写。它是一个长期运行的

15、项目，由Air Force Cambridge Research Laboratories (AFCRL)在20世纪60年代建立，到现在包括大气中37种不同分子的1,734,469条光谱线(包括氧原子和一价一氧化氮离子) 并且数据库可以从以下FTP中更新：(http:/cfa-www.H/HITRAN/hitrandata04/)可行性分析及总结综上所述，光声光谱学是一门新兴学科，并且具有很大的潜力和广泛的应用前景，而且对设备要求并不是很高，基于我们实验室的条件，我们已经具备绝大部分的实验仪器，而对于没有的仪器，如光声池，无论对哪个想开展这方面工作的单位来说都是需要自己制作

16、的，制作花费并不是很高。另外微音器由于质量和精度原因价格存在很大的差异，从十几美金到1500欧元左右不等，我们可以在确定实验的最后参数时再进行选择。最后数据处理方面，首先需要用Labview软件进行仪器控制程序的编写，然后可能还需要带有A/D转换和与计算机通信功能电路的焊接和相关数据采集底层软件的编写。这些前期准备工作需要较长的时间来完成。参考文献：1 杨晓龙,光声光谱技术中的多气体成份分析方法研究，大连理工大学硕士毕业论文，20032 Petal. C ,K. N. ,and Tam ,A. C. ,Rev. Mod.Phys. 1981 53 :33 West ,G. A. ,Rew. Sci. Imstrment ,1983 ,54 :74 Edward and Lai ,P. C. ,APPL. Spec. Rev. 1985, 21 :1795 吴次南,杨思根.光声谱学及其应用,贵州师范大学学报(自然科学版),1998,Vol.l6,No.16 王建业, 纪新明,吴飞蝶,周嘉,黄宜平，光声光谱法探测微量气体，传感技术学报，2006