痕量物质的激光光声测定

本文采用单一波长的 He—Ne(6328)和 He—Cd(4416)激光器组装成单束激光光声测量装置,并以Co的1—(2—吡啶偶氮)—2—萘酚(PAN)络合物的测定为例,探讨了固体激光光声光谱在痕量物质测定上的应用。经稳频切光器调制的激光束入射到密封在光声池中的样品时,样品吸收调制光.产生周期性加热。热传给周围气体,导致容器内气体按调制光的频率产生周期性的压力波动。用灵敏的微音器检测这种压力波动,并通过锁定放大器将音频电压信号放大测量,最后由X-Y函数记录仪记录。用这种装置试验了调制频率和激光功率对光声信号强度的影响;为了使样品分布均匀,以便获得更好的测量精度,还试验了层析硅胶、氧化铝和硫酸钡作为样品载体对光声测量的影响。在     

一种新型的多普勒调制技术

在传统的斩波器调制技术中,被测对象“被动”地接受外来调制光的照射,由于这种照射一般要经过一定的光学系统来完成,因此,调制照射发生在每一个光束经过的光学元件上,这些元件必定会存在某些加工缺陷,从而产生与调制照射同频率、固定位相差的杂散信号,只要这些信号在探测器的视场里,就会形成背景干扰,从而降低信噪比。利用MichelsonM-orley动态干涉技术,建立了一套基于Doppler频移原理的调制器。与传统的调制技术相比,多普勒调制技术是将被测目标自身运动产生的多普勒频移在干涉仪光路中造成的干涉场的交替变化作为调制频率来实现光的调制,可以有效地消除目标以外一切背景因光调制而产生的噪声影响,极大地改善微弱信号探测的信噪比。实验结果表明:调制信号频率稳定度(相对标准差)可达到±1%左右,能满足锁相放大器参考信号的需要。     

光斑尺寸对光热失调技术测量光学薄膜吸收的影响

样品表面加热光斑和探测光斑的大小对光热技术有着重要影响,光热失调技术是一种新的可用于研究光学薄膜的微弱吸收的方法,文章理论分析了加热光斑和探测光斑尺寸对光热失调技术的影响.研究表明,加热光斑大小不变时,加热光调制频率增大,样品表面温升降低,温度分布区域减小;调制频率不变时,加热光斑越小,表面温升越大,分布区域越小.调制频率不变时,探测光斑越小,信号幅值越大,分布区域越小,信号幅值与加热光功率的线性关系的斜率越大,探测光斑的大小对信号幅频关系影响较小.研究结果对光热失调技术测量光学薄膜吸收具有重要意义.     

AsH3分子的振动-平动能量弛豫

用增强型光声池显著降低了光声信号的面损耗，使得AsH3分子的振动-平动能量转移成为造成共振峰展宽的主要因素。光声池内充9．06kPa的AsH3气体，声共振品质因子Q高达374。推导了光声信号振幅与入射光调制频率和样品分子振动-平动弛豫时间的函数关系。理论公式与实验数据的对比表明，对振动热容贡献大的振动能级在气体分子的振动-平动能量转移过程中起主要作用；波动过程中AsH3分子通过最低的两个振动能级进行振动-平动能量交换。     

激光检测乙烯浓度的光声光谱效应研究

为了解决生物医疗、石油化工行业微量乙烯浓度难以检测的问题,采用CO2激光击穿装有乙烯气体的光声池产生光声光谱效应,进行了微量乙烯浓度的检测,设计并优化了光声池尺寸,研究了激光谱线10P(16)和10P(18)与乙烯吸收系数、乙烯气体浓度与光声信号之间的关系。结果表明,光声光谱气体检测系统的共振中心频率为833Hz,品质因数为20.8,光声池常数为2323Pacm/W;当激光功率为3.6W时,在两种激光谱线的照射下,光声信号与乙烯气体体积分数之间均成良好的线性关系,其线性拟合优度分别为0.99744和0.99802,系统的最低检测浓度可达0.9nmol/L。实验结果与理论分析相吻合,验证了光声光谱效应对微量乙烯浓度的检测具有良好的应用价值。     

基于可调谐CO2激光器的SF6差分光声检测研究

为了对电力场所SF₆气体浓度进行有效监测,采用光声光谱气体检测技术,基于波长可调谐CO₂激光器,设计了一套大气环境下的SF₆痕量气体检测系统,并提出一种差分光声光谱技术以提升光声系统的检测灵敏度。结果表明,所设计的SF₆气体检测光声系统的共振中心频率为1066Hz,品质因数为32.04,光声池常数为89.74Pa·m·W-1;利用单谱线光声法,在激光谱线10P12处检测SF₆气体的灵敏度为0.06×10-6（体积分数）;采用差分光声光谱气体技术后,在激光谱线10P12和10P16处3W强度调制光的照射下,光声系统的灵敏度提升到0.02×10-6（体积分数）。差分光声光谱技术能有效降低噪声影响,提升光声检测系统的灵敏度,具有一定的实用价值。     

泵浦激光频率漂移对光声稳频信号的影响

在CO2激光泵浦的气体太赫兹源中,泵浦激光的频率稳定性控制问题十分关键。针对基于光声效应的泵浦源稳频技术,理论分析和数值模拟了光声信号的探测条件(光声腔内气压、传声器灵敏度等)对微弱光声信号检测的影响,进而对探测条件进行了优化。在此基础上,进一步分析了泵浦激光频率在气体吸收谱线中心频率附近漂移时光声信号的变化规律。结果表明:在实际工作中,为了实现高精度的稳频,需要将光声腔的气压控制在低压范围内,并采用高灵敏度的光声传感器;当泵浦激光频率产生漂移时,利用探测到的微弱光声信号通过反馈系统可以精确地改变激光器的腔长,以实现高精度的光声稳频,且频率漂移范围可控制在MHz量级以内。     

光声信号与光束在样品上照射位置关系的研究

我们采用压电陶瓷作为光声探测器,研究了单晶硅在10.6μm的光吸收产生的光声信号与光束在样品上照射位置的关系。实验表明,当光束沿着圆形样品的直径扫描,光束照射在两侧时,光声信号随照射位置离开中心距离的加大而减小,与我们进行的理论计算符合得较好。     

多波长光声信号的时域与频域比较

为了分析在不同激发波长下不同组织/目标光声信号的时域与频域特点和差异,根据光声信号产生的基本原理,采用光声信号时域和频域分析方法,设计了石墨仿体和离体组织等不同样品的多光谱光声实验。结果表明,样品的光声信号在时域与频域所展示的性能有很大的不同,不同样品的光声信号的声谱是不同的,且在不同激发波长下的声谱的峰值所对应的频率均相同,因而可以用于组织特性的描述、组分识别等用途。此研究有助于利用光声成像实现组织识别,并为进一步利用频谱分析方法研究多光谱光声成像奠定了基础。     

资料简介索引

红外技术5001 Hg_(1-x)Cd_xTe半导体内部成分变化的光声成像 Photoacoustic imaging of compositional variations in Hg_(1-x)Cd_xTe semiconductors, J. F. McClland, IS-M-308, 12p(1980). 本方法系由材料样品吸收光子,把所吸收的部分热量传导给相邻的气体。气体的热膨胀产生声信号,用传感器接收此种信号进行成像。     

ZnO薄膜的激光光声效应

本文分析了ZnO薄膜的光声效应,推导了在一维条件下光声信号与压电系数、介电系数、热导、比热、调制频率之间的关系。实验表明光声信号的幅度和调制频率、入射光功率之间的理论分析吻合较好。同时还计算了ZnO薄膜的压电系数e_(33)=0.817e/m~2,e_(31)=-0.43e/m~2。     

多种光声成像方法研究

阐述了光声成像的基本原理,综述了现有的几种光声成像方法、原理及成果。介绍了国内外多个研究小组在光声成像领域所取得的一些成果,主要包括:用超声探测器记录光声信号的滤波反投影算法光声成像;超声探测器结合声透镜的傅里叶方法;用探测光做载波调制光声信号,将光声信号转化为光信号,经光学系统解调,将样品像显示在CCD摄像机上的实时光声成像等。对比了几种光声成像方法,并提出了一些光声成像的新思路。     

C2H4,NH3及C3H6的脉冲激光光声谱

本文用光声法检测了9.2～10.8μm波长范围内C_2H_4、NH_3及C_3H_6分子对CO_2激光的吸收特性,获得了这三种气体分子的单脉冲激光光声光谱,测量了光声信号随实验参量(样品气压、激光能量)的变化关系,用光声法获得了样品气体中的声速及各种气体分子的V-T驰豫时间。     

基于光声光谱技术的CO气体探测

搭建了基于2.3μm中红外可调谐二极管激光器的CO气体的光声光谱测量系统,并选取4300.699 cm~(-1)处的CO吸收谱线作为传感目标。为了消除较长的CO分子弛豫时间对测量的影响,采用在实验气体中混入水汽的方式来增强光声信号。通过优化调制参数确定出系统的最佳调制振幅和调制频率分别为4.29 cm~(-1)和785 Hz。在最优的实验条件下,所选谱线的二次谐波信号与CO浓度间具有良好的线性关系,其线性度为0.994,利用该关系反演出空气中CO的体积分数约为2.13×10~(-6)。最后利用Allan方差对干湿条件系统的长期稳定性进行了分析,得到系统在干湿条件下的探测极限分别为1.18×10~(-7)和0.58×10~(-7),验证了水汽的加入可以有效提高系统对CO的探测灵敏度。     

基于膜片式EFPI光纤麦克风的声源定位系统

提出一种采用激光器频率调制准连续相移干涉实现膜片式光纤声传感器阵列同时解调的技术。通过调制光栅Y分支(MG-Y)可调谐激光器的快速频率调谐引入相移,4个具有π/2相位偏置的光频率按顺序切换,产生准连续的正交相移信号。基于五步相移算法,任意5个相邻相移信号用于相位恢复,由于没有机械运动部件,实现了高速稳定的相位解调。该系统的相位采样率(600 kHz)取决于频率调制速度。实验结果表明,通过调整激光器输出频率,可以正确解调宽腔长范围的非本征Fabry-Perot干涉(EFPI)传感器。此外,构建了一个紧凑的多点声传感阵列系统,实现了声源定位应用。     

光调制平衡电光检测

介绍了一种新的电光检测方法 ,即光调制平衡电光检测技术 .它通过调制探测光信号 ,利用差分平衡 ,实现对样品电场的锁相检测 .这种方法不调制被测电信号 ,可彻底消除对被测电场的影响 ,而且方法简单 ,便于操作 .介绍了光调制平衡电光检测系统及检测原理 ,以 Ga P为样品 ,对静态电场进行了模拟测量 .将此方法应用于电光取样技术 ,测量了 Ga As共面波导在频率为 3GHz下的微波信号 .     

光调制平衡电光检测

介绍了一种新的电光检测方法,即光调制平衡电光检测技术.它通过调制探测光信号,利用差分平衡,实现对样品电场的锁相检测.这种方法不调制被测电信号,可彻底消除对被测电场的影响,而且方法简单,便于操作.介绍了光调制平衡电光检测系统及检测原理,以GaP为样品,对静态电场进行了模拟测量.将此方法应用于电光取样技术,测量了GaAs共面波导在频率为3GHz下的微波信号.     

缓冲气体对光声光谱信号的影响

通过改变缓冲气体检测分子量为28的 C_2H_4样品及分子量为131.39的 C_2HCl_3样品表明,气体热容与分子直径比(γ/σ)大于1的缓冲气体(如氦、氢等)能提高样品的光声信号幅度,其中以氨为最佳。     

利用光声技术研究SrTiO3薄膜的热扩散率

利用背激发检测光声技术测量了8个不同厚度SrTiO3薄膜的热扩散率,研究光声信号的幅值、相位及薄膜热扩散率随膜厚的变化规律发现,随着薄膜厚度的增大,光声信号的幅值和相位均逐渐减小;薄膜的热扩散率随着厚度的增加先增大后减小,在一定厚度下,热扩散率达到最大.厚度不变时,光声信号幅值、相位及薄膜热扩散率与入射光调制频率的相关性研究表明,光声信号幅值与相位随频率的增大呈非线性减小,但薄膜热扩散率的测量值在不同的调制频率下较稳定.     

光声室低频特性的研究

本文采用气体光声室检测方法,研究了在较低的斩波频率(低于500Hz)下,半导体材料硅、锗、砷化镓和碲化镉的光声频率特性,得出了改进的高灵敏度光声室光声信号的理论表达式,给出了R-G理论的修正项,其理论计算和实验结果符合得较好。