固体光声效应理论.docx

固体光声效应理论Allan Rosencwaig和 Allen Gersho贝尔实验室. Murray Hill.新泽西07974(收稿1975年7月24日)当脉冲光照射在封闭单元格中的固体上时，一个声信号在腔中产生。这种效应是一个用来研究固体和半固体材料的新型显微镜的理论基础。关于光声腔中的声信号的一个定量推导被提出，牵涉到这个系统的光学、热学和几何参量。该理论预测了信号对固体吸收系数的依赖性，从而得到用于光声光谱技术的理论基础。尤其是，该理论能够解释实验观测获得的不透光材料的光学吸收光谱。PACS号：78.20.H, 43.35., 07.45.I. 引言1880年，Alexander Graham Bell发现，当光下的周期性中断光束照在封闭腔中的固体，可听见的声音可能是听取连接至该池听力管的装置。受到Bell发现的启发，Tyndall和Rontgen发现当一个密闭腔中的气体被脉冲光照射时也能产生声信号。Bell随后用各种固体，液体和气体进行实验。光声效应被认为没有实际价值，很快被大众所遗忘。五十年后气体光声效应被又一次验证。它有从此成为一个成熟的气体分析技术，并得到很好的理解。光子被气体吸收转化成气体的动能，从而在腔内产生压力波动。然而固体光声效应显然被忽略了90年，也从未有令人满意的固体光声效应的理论解释公布过。近日，用来研究固体和半固体材料光谱的高效技术得以发展，也使得人们对固体光声效应的兴趣得以恢复。为了减少跟声波在晶体上作用使激光束偏转的声光效应的混淆，光和声的效应改名为光声效应。在固体中的光声光谱（PAS），样品，例如空气和一个灵敏的麦克风，被置于一个封闭的含有气体的单元格内进行研究。然后用脉冲单色光照射样品。来自麦克风的模拟信号被施加到调谐放大器，其输出被记录为关于入射光波长的函数。用这种方式获得光声光谱，而这些光声光谱已发现至少是定性地对应固体的光学吸收谱。光声光谱的一种主要优点是，它能够使人们获得类似于固体或半固体材料光学吸收谱的谱线图，无论这些材料是晶体、粉末、非晶体、涂片、凝胶或别的物质。这种能力是基于以下事实：只有被吸收的光被转化成声。散射光与许多固体材料作用时，用传统光谱技术处理会面临一个严重的问题，而用光声光谱处理则没用任何困难。当许多固体材料处理严重的问题由传统的光谱技术，并没有任何困难在光声光谱。此外，已经通过实验发现，在材料对光完全不透明时，能够利用广晟技术获得良好的光吸收数据。光声光谱在无机、有机和生物固体的研究和分析方面就有一些重要的应用。另外，它很有潜力成为一种不仅在批量光学性质研究而且在表面研究和退激研究等方面都能有所作为的光谱技术。随着大家对PAS兴趣的迅速增长，对产生的光学信号的定量理解变得非常重要。在本文中，我们为分析奠定了基础。此外，利用光声技术，我们第一次能够从完全不透光的系统获得光吸收光谱。Bell将观测到的海绵状固体（例如炭黑）的光声效应归因于脉冲光对孔内空气间歇性的加热。他也支持Rayleigh的理论。Rayleigh总结出这个效应也可能是由于固体的机械运动。然而，Preece从他的实验中推测出，该固体不发生任何显著的机械运动，同时表明这个效应是由于腔中气体的膨胀和收缩。Mercadier也通过这个效应的实验总结出这些声音的产生原因。主要是附着在固体表面的气体层被周期性辐射击中从而产生机械振动。在试验中，我们首先彻底搬空了光声腔，然后用二维固体或其他的弱表面吸附材料来填充它。我们已经发现吸收的气体并没有在产生声信号方面起到重要的作用。此外，它可以容易地表明固体的热膨胀和收缩，而且所述固体的任何小幅值的热致机械振动通常都能解释所观察到的声学信号。无论是理论还是实验，我们都体会到，当脉冲光周期性地加热固体时，从固体到周围空气的周图. 1. 一个标示了固体样品位置、背衬材料和气体柱的简易光声腔横截面图。期性的热流是光声腔中声信号的来源。只有相对较薄的空气层（~0.2cm脉冲频率100Hz）邻近固体表面传导从固体到周围空气的周期性热流。空气的这种边界层被认为是振动活塞，产生在小腔中检测到的声学信号。由于腔中周期性压力波动的大小正比于固体所产生热的量。有声信号的强度和光通过固体吸收量之间有密切的对应关系。II. 热流方程任何被固体吸收的光都被部分或全部地通过固体非辐射退激发过程转换为热能。吸收的光能在腔中产生热流，我们建立了一个一维热流方程。考虑一个如图. 1.所示的简易圆筒形腔。该腔直径D，长度L。我们假定长度L和声信号的波长相比较小。麦克风（未示出）将检测腔中产生的平均压力。样品则设计成直径D厚度l的圆盘形。样品被安装成使得其前表面暴露于腔内的气体中（空气），它的背面对着厚度为的热不良导体。令其中是腔内气柱的长度。我们进一步假设气体和背衬材料对光不吸收。我们定义以下参数