光聲效應(yīng)在一個(gè)多世紀(jì)前被發(fā)現(xiàn)魂莫，并于1880年首次報(bào)道。這種效應(yīng)包括兩個(gè)步驟：(1)通過吸收調(diào)制光產(chǎn)生熱量和(2)通過隨后的熱膨脹產(chǎn)生聲音爹耗。它被認(rèn)為是光譜研究中評價(jià)固體耙考、液體和氣體的一種靈敏技術(shù)。PA光譜已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)檢測潭兽、材料研究倦始、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。
展示全部 
利用量子級聯(lián)激光和超靈敏麥克風(fēng)對爆炸物進(jìn)行對峙光聲探測（一）
早在幾年，使用高功率中紅外激光源（如CO2激光器或光學(xué)參量振蕩器）進(jìn)行化學(xué)檢測已有報(bào)道。一項(xiàng)早期的研究枚碗，作者將其命名為光聲探測和測距（PADAR）逾一，展示了利用PA效應(yīng)對氣體蒸氣進(jìn)行對峙探測和測距。近年來肮雨，對峙PA檢測也應(yīng)用于凝聚態(tài)介質(zhì)和液體遵堵。利用光熱效應(yīng)對爆炸物進(jìn)行對峙探測已有報(bào)道。該技術(shù)通過監(jiān)測爆炸樣品在CO2激光照射下的溫升怨规，實(shí)現(xiàn)了對峙檢測陌宿。然而，在演示中波丰，為了增加熱對比度壳坪，避免焦平面陣列（FPA）的熱飽和泵额，將含有炸藥的土樣放置在平臺上惕它，并以天空為背景硬猫。在實(shí)際的現(xiàn)場操作中蒿辙，地面或背景溫度很容易使FPA飽和岂昭，從而難以區(qū)分溫差午乓。在另一項(xiàng)研究中喧半，基于PA效應(yīng)變化的對峙爆炸檢測被報(bào)道為bbb食店。在那項(xiàng)研究中惧磺，石英音叉被用作中紅外探測器颖对，用于探測來自覆蓋有爆炸性化學(xué)物質(zhì)表面的反射光。該技術(shù)依靠良好的目標(biāo)表面反射磨隘，為音叉振蕩模式激發(fā)提供足夠的返回中紅外光子缤底。同樣，在實(shí)際的野外作業(yè)中番捂，在目標(biāo)地點(diǎn)可能無法獲得接近完全垂直的反射平面个唧。需要一個(gè)超高靈敏度的中紅外探測器來檢測弱后向散射信號，衰減率為1∕r2设预，其中r為檢測距離徙歼。
另一方面，我們利用超靈敏的麥克風(fēng)來檢測目標(biāo)樣本直接產(chǎn)生的PA信號鳖枕。我們的技術(shù)不依賴于中紅外光反射或后向散射魄梯；因此，在目標(biāo)位置附近的任何地方都不需要反射面宾符。地溫也不影響我們的測量結(jié)果酿秸。此外，由于聲檢測機(jī)制是測量壓力波振幅魏烫，因此信號強(qiáng)度衰減與1∕r相關(guān)辣苏，而不是與1∕r2相關(guān)肝箱。聲波測量具有1∕r的依賴關(guān)系，有利于延長探測距離考润。為了增強(qiáng)信號和抑制環(huán)境噪聲狭园，我們可以進(jìn)一步使用聲陣列波束形成技術(shù)。由于麥克風(fēng)或麥克風(fēng)陣列的成本可以比中紅外fpa低得多糊治，因此可以以相對較低的成本獲得高性能的大型聲學(xué)陣列唱矛。這里提出的PA對峙檢測技術(shù)可以經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用于大多數(shù)環(huán)境，沒有許多限制或特殊要求井辜，這與迄今為止演示的其他技術(shù)不同绎谦。
zui近，我們展示了使用中紅外QCL和駐極體麥克風(fēng)在室溫和大氣壓下超過41英尺的氣體蒸汽的直接僵局PA檢測粥脚。由于三硝基甲苯（TNT）等爆炸性化學(xué)品的超低揮發(fā)性窃肠，本研究主要針對固體相TNT粉末進(jìn)行研究。在這些方案中刷允，當(dāng)中紅外QCL輸出光聚焦在TNT樣品上時(shí)冤留，通過激光加熱效應(yīng)和固體樣品與周圍空氣之間的熱耦合產(chǎn)生聲波。然后使用超靈敏的麥克風(fēng)在距離外直接檢測產(chǎn)生的PA信號树灶。
凝聚態(tài)物質(zhì)的聲壓檢測理論可分為兩類：(1)在凝聚態(tài)物質(zhì)中產(chǎn)生熱量纤怒，隨后在周圍空氣中產(chǎn)生聲音，由麥克風(fēng)檢測天通；(2)在凝聚態(tài)物質(zhì)中產(chǎn)生熱量和聲波泊窘，由壓電換能器檢測聲音。我們的研究屬于第1種情況像寒，固體TNT被入射的中紅外QCL光加熱烘豹，并在露天中產(chǎn)生聲波并由麥克風(fēng)檢測。
在第1個(gè)場景中诺祸，關(guān)于PA信號的產(chǎn)生有兩種綜合影響携悯。第1個(gè)過程涉及凝聚態(tài)物質(zhì)的熱膨脹和收縮，并隨后將振動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳遞給周圍的空氣筷笨。二是從冷凝物到周圍空氣的周期性熱流和隨后的空氣膨脹/收縮蚌卤。然而，rosencwaaig和Gersho發(fā)現(xiàn)第1效應(yīng)太小奥秆，PA波的主要來源是凝聚態(tài)物質(zhì)向周圍空氣的反復(fù)換熱。在他們的研究中咸灿，一個(gè)完整的模型构订，被稱為Rosencwaig-Gersho理論，導(dǎo)出了從PA細(xì)胞中的固體生成PA的模型避矢。擴(kuò)聲信號由入射光功率悼瘾、材料吸收系數(shù)和擴(kuò)聲電池的幾何形狀決定囊榜。開放環(huán)境中的PA理論與PA單元中的PA理論不同，因?yàn)樗灰蕾囉趩卧膸缀涡螤詈ニ蕖Ｈ欢渡祝琑osencwaig-Gersho理論也可以應(yīng)用于開放環(huán)境PA理論的研究，但需要做一些修改烫扼。
后來曙求，基于同樣的理論，Harris等人研究了開放環(huán)境下PA對凝聚態(tài)物質(zhì)的影響映企，得出PA信號與激光脈沖能量和逆探測距離[12]線性相關(guān)的結(jié)論悟狱。我們將省略PA信號的詳細(xì)表達(dá)式，將研究中的簡化表達(dá)式重寫為：
式中B為比例常數(shù)堰氓，α為材料吸收系數(shù)挤渐，E為激光脈沖能量，R為探測距離双絮。
本文將對脈沖激光激發(fā)固體物質(zhì)PA信號的產(chǎn)生進(jìn)行現(xiàn)象學(xué)描述浴麻。在我們的實(shí)驗(yàn)中，TNT樣品以粉末形式放置在不吸收我們QCL波長的硅片上囤攀∪砻猓總共1毫克TNT粉末均勻地散布在約1平方毫米的區(qū)域。在密度為1.654 g∕cm3的情況下抚岗，固體TNT樁的厚度約為L ~ 0.6 mm或杠。
假設(shè)激光器在脈沖條件下工作，初始脈沖能量為E0宣蔚。該材料在激光波長處的吸收系數(shù)為α向抢。在上述假設(shè)條件下，忽略反射和散射胚委，目標(biāo)介質(zhì)吸收的能量為
αL < 1時(shí)挟鸠，大部分脈沖能量被吸收，Eabs≈E0亩冬；在αL?1的情況下艘希，吸收能量為Eabs≈αLE0。在我們的研究中硅急，由于TNT樣品的強(qiáng)中紅外吸收和較厚的深度覆享，大部分入射光被認(rèn)為被吸收了。假設(shè)非輻射松弛在此過程中占主導(dǎo)地位营袜；因此撒顿，大部分被吸收的能量轉(zhuǎn)化為熱能。在系統(tǒng)對環(huán)境不做功的情況下荚板，單位體積內(nèi)熱力學(xué)能的變化量與系統(tǒng)溫度的變化量成正比凤壁。因此吩屹，吸收的能量與目標(biāo)介質(zhì)中的溫升
其中Cp是材料的比熱，ρ是材料的密度拧抖，V是激光輻射照射的體積煤搜。
因此，我們計(jì)算了介質(zhì)中的溫升
介質(zhì)中的溫度升高會(huì)加熱周圍的空氣唧席，引起周圍空氣的溫度升高擦盾，如ΔTair所示。
此外袱吆，周圍空氣溫度的升高與固體樣品溫度的升高成正比ΔT厌衙。因此我們有
根據(jù)理想氣體定律，周圍空氣中相應(yīng)的壓力變化與溫度上升成正比绞绒，由
這里N是空氣中每單位體積氣體分子的數(shù)量婶希，kB是玻爾茲曼常數(shù)。由于激光是在脈沖條件下調(diào)制的蓬衡，周圍的空氣產(chǎn)生壓力膨脹和收縮喻杈，從而產(chǎn)生聲波。值得指出的是狰晚，在此過程中筒饰，由于熱膨脹，入射光對樣品的照度也會(huì)發(fā)生變化壁晒。然而瓷们，與熱傳遞引起的溫度變化相比，這種影響很小秒咐。
從上面的分析可以看出谬晕，表達(dá)式與之前的研究相似。脈沖激光誘導(dǎo)的PA信號強(qiáng)度與激光脈沖能量成正比携取。如前所述攒钳，隨著聲波的傳播，信號強(qiáng)度隨1∕r關(guān)系衰減雷滋；因此不撑，擴(kuò)音信號的距離測量與檢測距離成反比。
了解更多詳情晤斩，請?jiān)L問上海昊量光電的官方網(wǎng)頁：
http://www.wjjzl.com/three-level-106.html
更多詳情請聯(lián)系昊量光電/歡迎直接聯(lián)系昊量光電
關(guān)于昊量光電：
上海昊量光電設(shè)備有限公司是光電產(chǎn)品專業(yè)代理商焕檬，產(chǎn)品包括各類激光器、光電調(diào)制器澳泵、光學(xué)測量設(shè)備实愚、光學(xué)元件等，涉及應(yīng)用涵蓋了材料加工、光通訊爆侣、生物醫(yī)療、科學(xué)研究幢妄、國防兔仰、量子光學(xué)、生物顯微蕉鸳、物聯(lián)傳感乎赴、激光制造等；可為客戶提供完整的設(shè)備安裝潮尝，培訓(xùn)榕吼，硬件開發(fā)，軟件開發(fā)勉失，系統(tǒng)集成等服務(wù)羹蚣。
您可以通過我們昊量光電的官方網(wǎng)站www.wjjzl.com了解更多的產(chǎn)品信息，或直接來電咨詢4006-888-532乱凿。
展示全部
