關(guān)于開展光聲光譜學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的可行性報(bào)告

1、關(guān)于開展光聲光譜學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的可行性分析張碩主要內(nèi)容一、光聲光譜簡(jiǎn)介二、理論簡(jiǎn)介三、實(shí)驗(yàn)方法及儀器四、可行性分析及總結(jié)五、參考文獻(xiàn)歷史及現(xiàn)狀 1880年，美國科學(xué)家，貝爾電話公司的創(chuàng)始人Bell首先在固體中發(fā)現(xiàn)了光聲現(xiàn)象，不久后，Bell和科學(xué)家Tyndall 和Ronetgen在1881年各自獨(dú)立進(jìn)行了氣體和液體的光聲實(shí)驗(yàn)。然而限于光源和信號(hào)檢測(cè)技術(shù)方面的缺陷，此后幾十年光聲技術(shù)的研究幾乎沒有什么實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。 20世紀(jì)70年代聲隨著弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的不斷積累和發(fā)展，高靈敏度微音器和壓電陶瓷的出現(xiàn)，以及各種激光器的相繼問世，光聲技術(shù)得到廣泛的重視，尤其在微量氣體檢測(cè)方面，光聲技術(shù)獲得了廣泛的研究

2、和發(fā)展。歷史及現(xiàn)狀 1968年，Kerr和Atwood首次公布了利用激光光聲光譜的方法檢測(cè)微量氣體，Kreuzer等人在1971年應(yīng)用氦氖激光器，測(cè)量極限達(dá)到 0.01ppm(10的負(fù)6)并從理論上論證了用激光作光源的光聲光譜測(cè)量可以使微量氣體檢測(cè)的靈敏度達(dá)到0.1ppt(10的負(fù)13)，1990年，F(xiàn).J.M.Harren等人設(shè)計(jì)氣體光聲檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)靈敏度達(dá)到20ppt。1996年，F(xiàn).G.e.Bjnen進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)了基于二氧化碳激光器的內(nèi)腔式光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)靈敏度達(dá)到了6ppt。1另外Petel 和Tam2、West3、Edward4等人各自對(duì)不同時(shí)期擇重不同地對(duì)光聲光譜學(xué)的研究

3、狀況及應(yīng)用成果作過綜述。5基本原理 常溫下，物質(zhì)吸收了光能后，許多分子從出去電子及臺(tái)的最低震動(dòng)能級(jí)躍遷到激發(fā)態(tài)，由于不穩(wěn)定，分子已非常快的速度，通過各種途徑回到基態(tài)。其中光聲光譜法是指物質(zhì)吸收光后，經(jīng)過無輻射躍遷(放熱)回到初始狀態(tài)，即由光能轉(zhuǎn)變成熱能的過程而進(jìn)行測(cè)定的光譜法。基本原理光聲效應(yīng)可以分為三步,如左圖所示。樣品吸收特定波長的調(diào)制光(調(diào)制頻率在聲波范圍內(nèi)) 光子,處于激發(fā)態(tài); 樣品通過分子間碰撞以熱的方式釋放吸收的能量,使得氣體受熱(具有周期性) ; 受熱氣體膨脹產(chǎn)生熱聲波(頻率與調(diào)制光源頻率相同) 。6基本原理 根據(jù)氣體光聲光譜學(xué),不同氣體對(duì)光有不同的吸收光譜特性，每一種氣體都有自

4、己的吸收光譜,也就是在不同的波長處產(chǎn)生較大吸收,采用某種單一波長的光照射氣體,只有某種特定氣體產(chǎn)生較大吸收,從而可以通過控制濾波器的波長來實(shí)現(xiàn)傳感器的高選擇性以及多組分探測(cè)。 6理論簡(jiǎn)介首先光聲技術(shù)在測(cè)量氣體和凝聚態(tài)物質(zhì)時(shí)所用的理論是不一樣的。具體來說光聲技術(shù)就是利用光吸收和聲激發(fā)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過對(duì)聲信號(hào)的探測(cè)從而了解光吸收過程。對(duì)于氣體來說，由于光吸收激發(fā)的聲波頻率由調(diào)制頻率確定;而其強(qiáng)度則只與可吸收該窄帶光譜的特征氣體的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，因此，建立氣體體積分?jǐn)?shù)與聲波強(qiáng)度的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以準(zhǔn)確計(jì)量樣品池中各氣體的體積分?jǐn)?shù)。許多學(xué)者對(duì)光聲光譜作了大量的理論分析研究。光聲信號(hào)的產(chǎn)生涉及兩個(gè)方

5、面:熱的產(chǎn)生和聲波的形成。而理論推導(dǎo)和計(jì)算也是從這兩方面展開的。光聲光譜的經(jīng)典理論在文獻(xiàn)10中有詳細(xì)的介紹。理論簡(jiǎn)介至于凝聚態(tài)物體(固體、液體) ，Rosencwaig 和Gersho在1975 年對(duì)固體光聲效應(yīng)所作的理論推導(dǎo),它系統(tǒng)地論述了凝聚態(tài)物質(zhì)中光聲效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，清晰地說明了與試樣接觸的氣體中光聲信號(hào)產(chǎn)生的物理過程。他們這種后來稱為R-G理論的唯象模型,是凝聚態(tài)光聲效應(yīng)的經(jīng)典理論。R-G理論給出了試樣和空氣中一維溫度場(chǎng)的嚴(yán)格表達(dá)式，并用近似方法處理氣體中產(chǎn)生的光聲信號(hào)，得到了對(duì)大部分實(shí)驗(yàn)情況有效的理論結(jié)果。下面是其給出的光聲信號(hào)表達(dá)式：實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)儀器一、光源： 8光

6、源隨樣品的種類而異，對(duì)于固體樣品多采用紫外、可見光源，分析氣體多采用紅外光源。1、連續(xù)譜光源(氙燈等)實(shí)驗(yàn)儀器(1)氙燈(1000W) 光聲光譜中最普遍的非相干光源是高壓氙燈。其工作壓力為5070個(gè)大氣壓，是2302000nm區(qū)域中很有效的強(qiáng)光發(fā)射體，發(fā)射光譜主要呈連續(xù)狀，在8001000nm之間有幾條強(qiáng)譜線。燈泡材料有石英和陶瓷兩種。 作為波長可變光源一般與單色儀組合使用。當(dāng)狹縫變窄光強(qiáng)度就會(huì)顯著減弱，因此要得到1納米一下的高分辨率相當(dāng)困難。所以，氙燈光源常用于光聲譜寬的固體和液體試樣的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)儀器(2)白熾碳棒白熾碳棒是一種紅外光源。碳棒是在氬氣中通電的，可得到2500K左右的熱輻射溫度

7、，碳棒的壽命是400小時(shí)左右，所需功率為4千瓦(9.8伏，400安)。電極部分用水冷卻，腔罩用溴化鉀窗，這樣更容易輸出熱輻射實(shí)驗(yàn)儀器2、激光光源8激光光源具有單色性強(qiáng)，脈沖峰值功率大，相干性好且連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，是光聲光譜最理想的光源。 不同的樣品和不同的分析目的，可采用不同的激光器。對(duì)于氣體和大氣污染物的分析，可采用可調(diào)諧的紅外激光器，如光參量激光器等。若測(cè)定某些特定的氣體可用固定波長的激光器作光源。如測(cè)定甲烷可用氦氖激光器(3.39微米)，測(cè)定一氧化氮可用二氧化碳激光器(10.6微米)。對(duì)于固體或液體物質(zhì)可采用可調(diào)諧染料激光器。實(shí)驗(yàn)儀器3、同步輻射光源另外同步輻射光源用于光聲光譜，具有高靈敏

8、度和高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，可大大擴(kuò)展光聲光譜的研究范圍，蘇慶德等首次在同步輻射紫外一可見光區(qū)建立起光聲光譜裝置，在185一650nm波段得到了穩(wěn)定且達(dá)毫伏量級(jí)光聲信號(hào)同步輻射光源在光聲中的應(yīng)用，將光聲譜拓展到高能輻射區(qū)，為光聲光譜帶來了突破性的進(jìn)展。 8實(shí)驗(yàn)儀器二、光斬波器8光斬波器的目的是產(chǎn)生氣體周期性的壓力起伏聲波。光在調(diào)制中強(qiáng)度發(fā)生100%變化時(shí)，稱為斷續(xù)光，其他情況稱為調(diào)制光。光斬波器只要分為以下三類：1、機(jī)械式能進(jìn)行10Hz1kHz范圍內(nèi)的調(diào)制，它的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單廉價(jià)，但是產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)可能會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生干擾。2、電源調(diào)制式能進(jìn)行10Hz10kHz范圍內(nèi)的調(diào)制，它的優(yōu)點(diǎn)是沒有機(jī)械振動(dòng)，是目前主要的

9、斬波器種類。3、光調(diào)制器主要進(jìn)行更高頻率的調(diào)制，能很容易產(chǎn)生10MHz的高頻調(diào)制光，缺點(diǎn)是價(jià)格比較昂貴。實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器三、光聲池光聲池是整個(gè)實(shí)驗(yàn)中最重要的裝置，它的好壞直接影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。光聲池從用途來分可以分成兩類，測(cè)量氣體的和測(cè)量固體與液體的，以及某些特殊場(chǎng)合使用的開放型光聲池。而氣體的光聲池又分為兩類：非諧振式光聲池和諧振式光聲池。非諧振式光聲池是將氣體密封在腔室中,氣體受熱膨脹,從而檢測(cè)到光聲信號(hào),此類光聲池需要密封且靈敏度較低。諧振式光聲池是指入射光的調(diào)制頻率與光聲池的聲學(xué)共振頻率一致，它的原理是聲波在腔體中傳輸,若聲波能在腔室中諧振形成駐波,則無需密封腔室,且起到共振放大的作用。

10、實(shí)驗(yàn)儀器 以上兩種光聲池都是固體用的光聲池，右面這種是使用較多的一種，它有一個(gè)好處就是避免散射光照到未引起的震動(dòng)片上影響測(cè)量結(jié)果。此外現(xiàn)在還有一種開放式光聲池，用壓電陶瓷制成微音器。這種光聲池正在逐步興起。實(shí)驗(yàn)儀器常見的三種聲學(xué)共振腔: (1) 赫姆霍茲諧振腔:共振腔由一空穴和其連接的頸部構(gòu)成?；灸Ｐ褪菑椈少|(zhì)量塊模型, 空穴中氣體充當(dāng)彈簧作用, 頸部氣體相當(dāng)于質(zhì)量塊。實(shí)驗(yàn)儀器(2) 一維共振腔:如果共振腔的截面尺寸遠(yuǎn)小于聲波波長,則被激發(fā)的聲波信號(hào)只沿共振腔長度方向變化,這種腔體可以被認(rèn)為是一維共振腔, 兩端都開口或封閉的腔體要求長度是半波長的整數(shù)倍，一端開口一端閉口的腔體,要求長度是1/

11、4 波長的奇數(shù)倍。共振頻率都是有公式可以計(jì)算的。實(shí)驗(yàn)儀器(3) 空穴式共振腔:當(dāng)共振腔的截面尺寸于聲波波長相當(dāng)時(shí),將產(chǎn)生于一維諧振腔截然不同的共振,駐波形式和共振頻率依靠腔體的形狀和尺寸。實(shí)驗(yàn)儀器 激光光束在光聲池處的直徑約為3.2mm，聲共振管的直徑取為10mm，共振管長100mm。共振管兩端是兩個(gè)緩沖室，直徑70mm，長50mm(1/4聲波波長)，緩沖室兩端用Znse材料的Brewster窗密封。整個(gè)光聲池用黃銅制成，內(nèi)外表面鍍鎳防止腐蝕性氣體的氧化和腐蝕。大連理工現(xiàn)在在用的光聲池結(jié)構(gòu)及參數(shù)：實(shí)驗(yàn)儀器左圖為美國麻省理工學(xué)院制作的光聲池的實(shí)物及結(jié)構(gòu)圖。它采用半導(dǎo)體激光器作為光源,通過微機(jī)械技

12、術(shù) MEMS (Micro-Electro- Mechanical System)加工制作微型光聲腔體,采用光學(xué)麥克風(fēng)檢測(cè)聲信號(hào),構(gòu)成光聲傳感器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)微量氣體的檢測(cè),檢測(cè)靈敏度達(dá)到10 的負(fù)6次方實(shí)驗(yàn)儀器四、微音器 微音器主要是測(cè)量由光調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的調(diào)制聲信號(hào)。根據(jù)測(cè)量原理的不同可以分為三類，電容式微音器、駐極體式微音器和壓電式微音器，它們分別應(yīng)用于不同的地方，前兩種主要是用來測(cè)氣體試樣，最后一種是測(cè)固、液體試樣。(1)電容式微音器 顧名思義，就是利用電容的原理作測(cè)量的微音器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻率響應(yīng)平坦，性能比較穩(wěn)定的特點(diǎn)。(2)駐極體式微音器 所謂駐極體(electret)是具有半永久

13、性極化作用的電介質(zhì)。實(shí)際上的原理也是利用電容的原理進(jìn)行測(cè)量的。它具有體積小，價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，但是作為光聲光譜的微音器其靈敏度稍低。實(shí)驗(yàn)儀器(3)壓電式微音器 這種微音器是利用壓電效應(yīng)(piezoelectric effect)進(jìn)行測(cè)量的微音器。主要是測(cè)量凝聚態(tài)材料用的。具有居里點(diǎn)高(約350度)在高溫下也可使用；溫度系數(shù)小；頻率響應(yīng)范圍寬(可達(dá)10MHz以上)；對(duì)于濕度及時(shí)間的變化都較穩(wěn)定；價(jià)格便宜，加工方便等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)儀器五、鎖相放大器及數(shù)據(jù)處理：鎖相放大器主要是用來預(yù)處理從微音器傳過來的電壓信號(hào)，并進(jìn)行去噪和放大(需要使用前置放大器)還有整波等功能，最后將信號(hào)傳到計(jì)算機(jī)中。實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)據(jù)處理：

14、激光功率的監(jiān)測(cè)、光聲信號(hào)的振幅和位相測(cè)量還有高壓電源模塊的壓控值都由鎖相放大器(ND202或ND203)和它高精度16位A/D轉(zhuǎn)換器完成，鎖相放大器通過GPIB(通用總線接口技術(shù))接口將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，而實(shí)驗(yàn)控制程序是利用美國國家儀器公司Nl(National Instruments)的產(chǎn)品Labview來設(shè)計(jì)完成的。另外光譜數(shù)據(jù)的后期處理則是通過HITRAN數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫輔助光譜選擇軟件JavaHAWAKS來處理。HITRAN簡(jiǎn)介 HITRAN是high-resolution transmission molecular absorption database的縮寫。它是一個(gè)長期運(yùn)行的

15、項(xiàng)目，由Air Force Cambridge Research Laboratories (AFCRL)在20世紀(jì)60年代建立，到現(xiàn)在包括大氣中37種不同分子的1,734,469條光譜線(包括氧原子和一價(jià)一氧化氮離子) 并且數(shù)據(jù)庫可以從以下FTP中更新：(http:/cfa-www.H/HITRAN/hitrandata04/)可行性分析及總結(jié)綜上所述，光聲光譜學(xué)是一門新興學(xué)科，并且具有很大的潛力和廣泛的應(yīng)用前景，而且對(duì)設(shè)備要求并不是很高，基于我們實(shí)驗(yàn)室的條件，我們已經(jīng)具備絕大部分的實(shí)驗(yàn)儀器，而對(duì)于沒有的儀器，如光聲池，無論對(duì)哪個(gè)想開展這方面工作的單位來說都是需要自己制作

16、的，制作花費(fèi)并不是很高。另外微音器由于質(zhì)量和精度原因價(jià)格存在很大的差異，從十幾美金到1500歐元左右不等，我們可以在確定實(shí)驗(yàn)的最后參數(shù)時(shí)再進(jìn)行選擇。最后數(shù)據(jù)處理方面，首先需要用Labview軟件進(jìn)行儀器控制程序的編寫，然后可能還需要帶有A/D轉(zhuǎn)換和與計(jì)算機(jī)通信功能電路的焊接和相關(guān)數(shù)據(jù)采集底層軟件的編寫。這些前期準(zhǔn)備工作需要較長的時(shí)間來完成。參考文獻(xiàn)：1 楊曉龍,光聲光譜技術(shù)中的多氣體成份分析方法研究，大連理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文，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 吳次南,楊思根.光聲譜學(xué)及其應(yīng)用,貴州師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1998,Vol.l6,No.16 王建業(yè), 紀(jì)新明,吳飛蝶,周嘉,黃宜平，光聲光譜法探測(cè)微量氣體，傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006