光聲效應(yīng)實驗教學(xué)分析

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了光聲效應(yīng)實驗教學(xué)分析范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

摘要：搭建了教學(xué)用光聲效應(yīng)實驗裝置，使用3種粒度的硅粉進行掃頻光聲檢測，比較了非共振頻率區(qū)和共振頻率區(qū)的硅粉光聲信號幅值特征．該實驗裝置為學(xué)生開展光聲效應(yīng)實驗提供了基礎(chǔ)平臺，基于此平臺可以設(shè)計光聲盒，測量固體材料的熱學(xué)參量，開發(fā)調(diào)制電路和數(shù)字鎖相放大器．

關(guān)鍵詞：光聲效應(yīng)；幅頻特性；掃頻光聲檢測

物質(zhì)在強度調(diào)制光束的照射下會在其內(nèi)部或其耦合氣體中產(chǎn)生聲信號，這種現(xiàn)象被稱為光聲效應(yīng)［1－2］．1880年A．G．Bell首次報道了光聲效應(yīng)，1938年光聲效應(yīng)開始在氣體波譜測量和成分分析領(lǐng)域使用，1973年以后光聲效應(yīng)被應(yīng)用于非氣態(tài)物質(zhì)物性分析，現(xiàn)已發(fā)展成在自然科學(xué)、工程技術(shù)的諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的光聲檢測技術(shù)［3－9］．光聲檢測技術(shù)能測定物質(zhì)的吸收光譜、熱學(xué)參量，能對固體材料進行深度剖面分析．鑒于光聲檢測技術(shù)應(yīng)用的廣泛性，本文介紹一套自行搭建的教學(xué)用光聲檢測實驗裝置．利用該裝置學(xué)生能進行光聲效應(yīng)原理實驗，獲得光聲信號依賴于被測樣品的光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)的感性認識，理解光聲檢測技術(shù)的內(nèi)涵．

1實驗原理及裝置

是光聲效應(yīng)實驗系統(tǒng)框圖．在激光器電源的驅(qū)動下，半導(dǎo)體激光器發(fā)出強度調(diào)制光束．激光束透過光聲盒的玻璃窗口，投射到被測樣品表面．樣品吸收光能，向緊鄰樣品表面的邊界（氣體）層傳導(dǎo)周期性熱流，導(dǎo)致邊界層溫度的周期性變化和邊界層的周期性膨脹、收縮．這像1只活塞推動光聲盒內(nèi)氣柱的其余部分產(chǎn)生聲壓信號［1］．聲壓信號由傳聲器及其前置放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號．光聲電壓信號輸入鎖相放大器檢測并輸入示波器顯示．激光器電源的調(diào)制信號和示波器的同步觸發(fā)信號均來自鎖相放大器的TTL信號輸出．TTL信號的頻率決定激光強度的調(diào)制頻率以及光聲信號的頻率．該頻率可通過鎖相放大器前面板上的頻率調(diào)節(jié)手輪選定．光聲信號通常很微弱，需要采用鎖相（對周期信號）、取樣積分（對重復(fù)脈沖信號）等微弱信號檢測技術(shù)將其從較強的噪聲背景中檢出．只有當(dāng)光聲信號足夠大時，才能直接供示波器顯示．由于采用連續(xù)波調(diào)制的半導(dǎo)體激光器（上海熙隆光電科技有限公司，型號DL－450－1200－T2，波長450nm，功率1．2W）作為光聲信號的激勵源，被測樣品又為對光易吸收的粉末，實驗裝置中既使用了鎖相放大器（美國StanfordResearchSys－tem，型號SR830，頻率范圍1mHz～102．4kHz）來檢測光聲信號的幅值和相位，又使用了普通示波器直接顯示光聲信號波形．實驗裝置中，光聲盒由一只1″水管內(nèi)絲銅三通接頭制作．為保證光聲盒的密封性，在三通接頭的上端面用環(huán)氧樹脂膠接窗口玻璃，在三通接頭的下端和水平出口端擰上纏有密封帶的堵頭．傳聲器選用6mm×5mm的駐極體傳聲器，用密封帶包緊塞入三通接頭水平出口端堵頭中心預(yù)鉆的小孔．傳聲器的前置放大器為自制電路．圖2為實驗裝置實物照片，圖2（b）局部放大照片的上端為激光器，下端為光聲盒．

2實驗內(nèi)容、過程及結(jié)果

2．1不同粒度硅粉的掃頻光聲檢測

為檢驗實驗裝置的性能，首先進行了3種粒度硅粉的掃頻光聲檢測實驗．實驗過程是：1）將已篩分好的－200～＋280目、－100～＋200目和＋100目99．5％純度硅粉分次裝入光聲盒的下堵頭底部，并將堵頭擰入光聲盒下端口．2）將光聲盒置于激光器下方，調(diào)整光聲盒的水平位置，使激光束（光斑大小3mm×3mm）照射到硅粉區(qū)域中央．3）在鎖相放大器的前面板上，緩慢旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)節(jié)手輪改變激光調(diào)制頻率，觀察光聲信號幅值的變化；在頻率改變較大而光聲信號幅值仍單調(diào)上升／下降和光聲信號出現(xiàn)極值情況下，暫停改變頻率，記錄光聲信號的幅值和相位．實驗時，激光功率為0．6W，頻率掃描覆蓋整個音頻范圍．圖3給出了3種粒度硅粉的光聲信號幅值隨激光調(diào)制頻率的變化．圖3中曲線有一系列峰值結(jié)構(gòu)，并且峰值出現(xiàn)的位置基本一致．這些峰值由光聲腔內(nèi)三維聲場的共振效應(yīng)造成的．

2．2不同光聲腔長下的硅粉掃頻光聲檢測

為驗明圖3的光聲信號幅值－頻率曲線共振峰的影響因素，取同一粒度的硅粉進行不同光聲腔長下的掃頻光聲檢測實驗．實驗過程和實驗參量與2．1基本相同，不同的是：將－200～＋280目硅粉盛于一倒置塑料小瓶蓋中，但瓶蓋在光聲盒中的擱置高度不同．瓶蓋擱置高度越高，離窗口玻璃越近，光聲腔長越短．利用不同高度的紙筒托起瓶蓋就能改變光聲腔長．圖4給出了3種光聲腔長下同一粒度硅粉的光聲信號幅值隨激光調(diào)制頻率的變化，其中的實線、虛線、點線分別對應(yīng)長（硅粉直接盛于下堵頭內(nèi)）、中（硅粉高度在三通接頭中間）、短（硅粉高度達到三通接頭水平孔上端）3種光聲腔長．圖中各條曲線均出現(xiàn)一系列共振峰，但共振峰的位置不再相同，因為光聲腔的邊界條件改變了．2．3在非共振頻率區(qū)和共振頻率區(qū)的硅粉光聲信號比較以上2組實驗說明：光聲信號幅值－頻率曲線的峰值結(jié)構(gòu)主要由光聲腔的結(jié)構(gòu)影響所致；對于一定結(jié)構(gòu)的光聲腔，會有一定的聲場共振峰．利用該現(xiàn)象，可在共振頻率處進行光聲檢測，以得到較大幅值的光聲信號，提高檢測精度．這組實驗就是在非共振頻率區(qū)和共振頻率區(qū)進行不同粒度硅粉的光聲檢測．實驗時，激光功率為1W，在非共振頻率區(qū)和共振頻率區(qū)的頻率掃描均按10Hz的步距．其余實驗過程和實驗參量與2．1相同．圖5和圖6給出了3種粒度硅粉分別在非共振頻率區(qū)和共振頻率區(qū)的光聲信號幅值隨激光調(diào)制頻率的變化．在圖5中，非共振頻率區(qū)的光聲信號幅值－頻率曲線表現(xiàn)出很好的信號幅值與粉末粒度的相關(guān)性，粉末粒度越小，光聲信號幅值越大．這是由于粉末粒度越小，樣品吸收光能的有效表面積越大，吸收光的能力越強．另外，頻率越低，光聲信號幅值越大．在圖6中，共振頻率區(qū)的光聲信號幅值－頻率曲線也表現(xiàn)出信號幅值與粉末粒度的相關(guān)性，粉末粒度越小，光聲信號峰值越大．圖中各峰值的頻率并不一致，這是由于在下堵頭加裝的硅粉高度有一定差別造成的．

3實驗教學(xué)討論

光聲信號既與被測樣品的光吸收特性（吸收光譜、吸收系數(shù)）、熱學(xué)特性（熱傳導(dǎo)率、密度、比熱）有關(guān)，又與光聲腔的結(jié)構(gòu)、電聲檢測系統(tǒng)的性能有關(guān)．上述實驗裝置只是為學(xué)生開展光聲效應(yīng)實驗提供了基礎(chǔ)平臺．基于此平臺可開展多個實驗教學(xué)項目．1）光聲盒設(shè)計光聲盒是光聲檢測裝置的核心元件．上述實驗裝置中的光聲盒由水管三通接頭制作，它具有理想光聲盒的基本功能———容納被測樣品、安置傳聲器、與外部環(huán)境隔聲、通過激勵光束，但它沒有全面遵循光聲盒的設(shè)計原則，其頻率響應(yīng)特性、光聲效應(yīng)強度不佳．讓學(xué)生參與到光聲盒的設(shè)計、制作和檢驗中，有助于他們掌握光聲檢測技術(shù)的核心知識，培養(yǎng)科研工作能力．2）固體材料熱學(xué)參量測量熱性能是材料的重要參量，建筑、航空航天、機械制造、家用電器等許多行業(yè)均需測量材料的熱學(xué)參量，而光聲檢測技術(shù)適用于材料熱學(xué)參量的測量［10］．通過這類實驗，學(xué)生可以在測量理論模型的建立、實驗參量的選取、實驗系統(tǒng)的標定、實驗數(shù)據(jù)的處理與分析等方面得到系統(tǒng)訓(xùn)練．3）調(diào)制電路和數(shù)字鎖相放大器開發(fā)本文介紹的實驗裝置使用了對實驗教學(xué)而言價格偏貴的鎖相放大器．這對于學(xué)生人數(shù)少的自選類、設(shè)計性實驗項目不是問題．對于較大規(guī)模的實驗教學(xué)，完全可以選用光聲效應(yīng)強的樣品，用花費極少的調(diào)制電路取代鎖相放大器．就像上面提到的硅粉樣品，其光聲信號幅值在低頻和共振頻率處都很大，用普通示波器就可觀察到（見圖2中示波器顯示的波形）．調(diào)制電路為方波產(chǎn)生電路，學(xué)生可獨立設(shè)計、裝配，并可在商品數(shù)據(jù)采集電路基礎(chǔ)上開發(fā)一般性能的數(shù)字鎖相電路及相應(yīng)的軟件．

4結(jié)束語

本文介紹的光聲效應(yīng)實驗裝置為開展物性分析方面的實驗提供了基礎(chǔ)平臺．利用該裝置，學(xué)生能開展設(shè)計性實驗、教學(xué)實踐、科技創(chuàng)新活動類項目的研究：既可基于現(xiàn)有裝置，在材料、制造工藝、環(huán)境監(jiān)測、生物、醫(yī)藥等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)需求，應(yīng)用光聲檢測技術(shù)；也可設(shè)計光學(xué)、聲學(xué)、電子器件，拓展裝置功能．

參考文獻：

［1］羅森威格A．光聲學(xué)和光聲譜學(xué)［M］．王耀俊，張淑儀，盧宗桂，譯．北京：科學(xué)出版社，1986：7－12．

［2］殷慶瑞，王通，錢夢騄．光聲光熱技術(shù)及其應(yīng)用［M］．北京：科學(xué)出版社，1991：7－11．

［3］RosencwaigA．Photoacousticspectroscopy：anewtoolforinvestigationofsolids［J］．AnalyticalChemistry，1975，47（6）：592A－604A．

［4］RosencwaigA，GershoA．Theoryofthephotoa－cousticeffectwithsolids［J］．JournalofAppliedPhysics，1976，47（1）：64－69．

［5］張淑儀．光聲顯微成象：一種新型顯微成象技術(shù)［J］．應(yīng)用聲學(xué)，1983，2（3）：5－10．

［6］張淑儀．中國光聲和光熱技術(shù)研究進展回顧［J］．應(yīng)用聲學(xué)，2013，32（3）：161－168．

［7］YehyaF，ChaudharyAK．Studyofdamping，satu－rationandsurfacelossesonlowleveldetectionofNO2usingtimeresolvedpulsedphotoacoustictech－nique［J］．OpticsCommunications，2014，312：16－22．

［8］王嬌，杜昌文，申亞珍，等．中紅外光聲光譜法測定土壤頂空氨氣濃度［J］．土壤，2014，46（6）：1017－1023．

［9］HuS，MaslovK，WangLV．Second－generationoptical－resolutionphotoacousticmicroscopywithimprovedsensitivityandspeed［J］．OpticsLetters，2011，36（7）：1134－1136．

［10］高椿明，魯旭，張希仁，等．光聲方法測量金屬材料的熱擴散率及熱溢出率［J］．電子科技大學(xué)學(xué)報，2011，40（6）：946－950．

作者：王心覺 方愷 倪晨 劉恒彪 單位：同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院