光声效应实验研究

1998年 第 6 期中 山 大 学 学 报 论 丛 SUPPLEMENT TO THE JOURNAL OF SUN YATSEN UNIVERSITYNo 16 1998 光 声 效 应 实 验 研 究X杨 观 镇( 茂名教育学院,广东 茂名 525000)摘 要 用理想气体模型描述了光声效应的产生机理, 并介绍了用光声效应产生各种不同频率的声波以及用这些声波相干叠加产生声拍的实验原理、方法和实验结果.关键词 光声效应, 光谱技术, 实验 分类号 O 433光声效应是一种超高灵敏度和应用非常广泛的光谱技术,由于其在物理、化学、生 物、医学等领域上用途广泛,最近二三十年来人们对其进行了广泛和深入的研究.为了将这一集光、声、热及微弱信号检测于一体的综合技术引进到大学物理中来, 作者以一种简化直观的物理模型阐明了光声效应的产生机制,并用一套相对简单、易于制作的实验装置演示了光声效应的产生过程,而且用这种实验装置观察到光声效应的拍频现象.1 原 理111 光声效应的产生机制光声效应是一种光诱导声振动的过程.当物质吸收光后,部分光能量转换成热能,使 物体的温度升高和体积膨胀, 如果对入射光进行周期性调制,则在物体内产生周期性振动, 这种周期性振动在空间的传播便形成了声波 ( 即所谓的光声信号) .对于气体样品,如果气体的吸收系数为 A, 入射光强为 I0, 则在单位时间内单位体积的气体吸收的能量为A I0, 假设这部分能量全部转变为平移动能,则单位体积内气体的动能变化率为:5K 5t= A I0(1)对于理想气体,根据热力学定律可得:dK =5K 5Ty,VdT+5K 5VopTdV(2)式中, T 、V 分别是温度和体积, 体积不变时, 有:dK =5K 5T*X VdT= CVdT(3)因此, K= CVT+ f ( V)(4)X 收稿日期: 1998 -11 -15 式中,CV为单位体积的定容比热, f ( V) 为仅依赖于体积而与温度无关的函数.对于理想气体, 压强可表示为:p= kNT(5)式中,k 为玻尔兹曼常数,N 是单位体积的分子数,于是: p= kN(K- f ( V)/ CV(6)压力波为5p/ 5t,对 (6) 式求导得:5p 5t= kNAI0 CV(7)(7) 式就是气体吸收光能量后引起的压强变化率.如果对入射光 I0进行周期性调制,调制频率为 X, 则调制以后的光强为: I= I0/ 2(1+ cos X t)(8)则气体的压强也将产生周期性的变化:5p 5t=kNA I0 2CV(1+ cos X t)(9)对 (9) 式积分可以得到单位体积内气体压强的表达式,其中周期性变化的部分为:p= ( kNA I0)/ (2XCV)(sin Xt)(10)这个压力扰动就是声波的振源, 这个扰动在空间的传播便形成了声波,声波的频率为 X, 振幅为:A= ( kNA I0)/ (2XCV)(11)显然, 光声信号与吸收系数及入射光强成正比,与入射光的调制频率成反比,这与用波动方程导出的结果是一致的. 但由于这个简化模型没有考虑热传导损耗以及气体的边界条件, 因此这结果没有涉及品质因素和共振频率等细节问题. 112 声波拍频的产生若以两束调制频率分别为 X1和 X2的激光束入射到同一样品上,则它们所产生的扰动分别为: y1= Asin( X1t+ U1)y2= Asin( X2t+ U2)(12)则合扰动为:y= y1+ y2= 2AsinX1- X2 2t+U1- U2 2虚./但你sinX1+ X2 2t+U1+ U2 2少 1 (13)显然,合振动的振幅受到差频信号sinX1- X2 2t+U1- U2 2中的调制,这种时强时弱的振动就是两列声波所产生的声拍.2 实验方法光声信号通常比较小, 必须用一个密封的光声池才能探测到,光声池的结构包括 1 个 带透光窗口的密封容器 (通常由金属做成) 和一个微音器组成, 其结构如图 1 所示,为了提高光声信号的强度, 通常在光声池的另一端加上炭黑.整个实验装置和实验结果分别如图 2、图 3所示.154中山大学学报论丛 1998 年图 1 光声池的结构图 2 光声效应实验装置示意图图 3 光声效应的实验结果155第 6 期 杨观镇: 光声效应实验研究