光聲效應

當物質受到周期性強度調製的光照射時，產生聲信號的現象。用光照射某種媒質時，由於媒質對光的吸收會使其內部的溫度改變從而引起媒質內某些區域結構和體積變化；當採用脈衝光源或調製光源時，媒質溫度的升降會引起媒質的體積漲縮，因而可以向外輻射聲波。這種現象稱為光聲效應（photoacoustic effect）。

基本介紹

• 中文名：光聲效應
• 外文名：photoacoustic effect
• 發現時間：1880年
• 套用領域：光聲譜技術
• 性質：科學現象

定義

用光照射某種媒質時,由於媒質對光的吸收會使其內部的溫度改變從而引起媒質內某些區域結構和體積變化;當採用脈衝光源或調製光源時,媒質溫度的升降會引起媒質的體積漲縮,因而可以向外輻射聲波。這種現象稱為光聲效應（photoacoustic effect）。

發現

光聲效應是A.G.Bell於1880年發現的，當時他正在用光線電話向美國科學院陳述科學進展，最初是在固體試樣中，之後在氣體和液體試樣中亦觀察到同樣的現象。他所研製的新儀器包括語音活性鏡，硒池子以及電話接收器。太陽輻射光由語音活性鏡調製後反射通過揚聲器的振動， 之後由拋物鏡聚焦在一定位置，在其焦點位置放置一靈敏的硒池，硒池連線著帶有乾電池的電子學器件和電話。因硒的阻抗隨著入射光強變化，調製的太陽光產生電子學上的語音，即聲音信號。

機理

當物質受到光照射時,物質因吸收光能而受激發，然後通過非輻射消除激發的過程使吸收的光能（全部或部分）轉變為熱。如果照射的光束經過周期性的強度調製，則在物質內產生周期性的溫度變化，使這部分物質及其鄰近媒質熱脹冷縮而產生應力（或壓力）的周期性變化，因而產生聲信號，此種信號稱光聲信號。光聲信號的頻率與光調製頻率相同，其強度和相位則決定於物質的光學、熱學、彈性和幾何的特性。

光聲信號可以用傳聲器或壓電換能器進行接收，前者適用於檢測密閉容器內的氣體或固體樣品產生的聲頻光聲信號；後者還可適用於檢測液體或固體樣品的光聲信號，檢測頻率可以從聲頻擴展到微波頻段。

套用

由於在光聲效應的測試中，檢測的是被物質所吸收的光能與物質相互作用以後產生的聲能，因此利用光聲效應檢測物質的組分和特性是非常靈敏的。光聲效應的主要套用有以下幾個方面。

①光聲譜技術。由於光聲效應中產生的聲能直接正比於物質吸收的光能，而不同成分的物質在不同光波波長處出現吸收峰值，因此當具有多譜線（或連續光譜）的光源以不同波長的光束相繼照射樣品時，樣品內不同成分的物質將在與各自的吸收峰相對應的光波波長處產生光聲信號極大值，由此得到光聲信號隨光波波長改變的曲線稱為光聲譜。光聲譜實際上代表物質的光吸收譜，因此利用光聲效應可以檢測物質的組分。由此研製成功一種新的光譜分析的工具──光聲譜儀，它廣泛用於氣體及各種凝聚態物質的微量甚至痕量分析。由於它的檢測靈敏度高，特別是由於它對樣品材料沒有限制，不論透明或不透明、固體或半固體（包括粉末、污跡、乳膠或生物樣品等）都可以進行分析，從而成為傳統光譜技術的補充和強有力的競爭者。

②光聲顯微鏡技術。近年來,利用聚焦的雷射束在固體樣品表面掃描，對不同位置處產生的光聲信號的振幅和相位進行測量，從而來確定樣品的光學、熱學、彈性或幾何結構，由此發展一種光聲顯微鏡或光聲成像技術，可對各種金屬、陶瓷、塑膠或生物樣品等的表面或亞表面的微細結構進行聲成像顯示，特別是對積體電路等固體器件的亞表面結構進行成像研究，成為各種固體材料或器件非破壞性檢測的有效工具。

此外，由於高功率雷射源的出現，可利用光聲效應作為聲信號的激勵源，在氣體、液體和固體中激發聲波，用以研究媒質的聲學特性以及聲與聲、聲與其他物質的相互作用。因為光聲信號的激勵源不必與媒質直接接觸，所以特別適用於極端條件（如高溫、低溫、高壓或侵蝕性的環境）下的研究工作。同時由激勵源產生的光聲信號源可在媒質中高速運動而不致引起繞流，避免了因繞流產生的附加噪聲干擾。

光聲效應的發展前景很被有關專家看好。

③光聲都卜勒技術。光聲都卜勒技術就是在光聲轉換的基礎上發展起來的。光聲效應是物質吸收了調製光能，吸收的光能轉化成熱能，在物質內部產生周期性的溫度變化，使這部分物質及其鄰近媒質熱脹冷縮而產生壓力的周期性變化，因而產生聲信號，其頻率與光調製頻率相同。如果光吸收物質是運動的，由於都卜勒效應，觀察者接收到的聲波會發生頻移。由於傳統的超聲成像和雷射成像依賴於超聲或光的散射，對於毛細血管低速血流的成像有一定困難。光聲都卜勒技術依賴於物質的光吸收係數，腫瘤的黑色素以及血液中血紅蛋白有很高的光吸收係數，因此光聲都卜勒技術在醫學上可以用來測量血流流速以及血流成像。