激光反应性光声检测及分析技术研究(2)

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与著名的R-G固体光声模型不同的是脉冲光声模型——固体化学反应的光声模型能较好地反映了凝聚相存在光化学反应的光声谱特征。反应性光声光谱技术突破了传统光声光谱技术的框架，并且将光声光谱技术扩展到研究材料的光谱特性、快速相变过程、快速化学反应过程和材料的热损伤过程等领域[7]，在完善波谱分析理论后，该技术将趋向成熟。

综上所述，经典的光声谱仅反映出光不导致物质发生结构变化（如相变和化学反应）的声特征，反应性光声谱则反映了物质结构发生变化时的声特征。可见激光反应性光声光谱技术较传统的光声光谱技术更具优势，应用领域更广泛。

1.2 国内外研究进展

1.2.1 光声光谱的研究历程及进展

1.2.2 激光反应性光声光谱的介绍及研究进展

1.3 本论文主要研究内容

本文将构建以PVDF压电薄膜为测压敏感器件的微光纤探针光声信号测试方法和装置，为测量光探针导致的光声信号奠定硬件基础和一定的理论基础。

本文拟重点开展以下几方面的工作：

（1）搭建激光反应性光声光谱检测系统；

（2）研究在不同能量作用下，石墨、铜片、C-KNO3的光声光谱变化规律；对比分析在一定能量作用下，物质性质对光声信号的影响；

（3）研究在一定能量作用下，样品厚度对光声信号的影响；

（4）研究在一定激光能量作用下，石墨、铜片、C-KNO3的光声光谱与激光探头到样品高度之间的关系。

2 激光反应性光声光谱检测

2.1 光声光谱检测技术的基本理论

用一定频率调制的光源（或脉冲光源）照射物质，原子或分子吸收光子后其能量状态从低能状态跃迁到高能状态，具有高能状态的原子或分子可以改变其原有的晶体结构发生化学反应[1]。在不同的物质结构状态下，高能态原子或分子将以辐射跃迁和无辐射驰豫等两种途径从高能状态恢复到相应的低能状态，无辐射弛豫的能量将以热能的方式在环境中激发出相应能量水平的声波和应力波。光声信号的产生和检测过程是一个光、热、声、电的能量转移过程。光声光谱和其它光谱一样反映了物质与光相互作用的特性，它能反映物质内部结构及成分含量的情况，能提供物质内部的热学、声学和光学方面信息。与传统光谱不同的是，光声光谱是对光束与物质相互作用所吸收的能量的测量而不是对出射的某些光子的检测，它是传统光谱的一种有力补充[26]。光声光谱的分析必须建立在一定的理论模型上。

2.1.1 固体光声信号的Rosencwaig- Gersho理论：

著名的R-G固体光声模型只适用于分析在检测过程中样品不发生相变和化学反应的光声谱图。R- G理论表明用气体—传声器测量光声信号时，信号依赖于样品—气体界面上声压扰动的产生以及扰动通过气体到传声的器的传输。表面压力扰动的产生又依赖于样品—气体界面上温度的周期性变化[1]。

若对一个简单的圆柱形光声盒中产生的光声信号做一维分析，声信号主要来自从固体到周围气体的周期性热流，周期性的扩散过程在气体中产生周期性的温度变化，从而使气体层周期性地膨胀和收缩，因而可以看作为一个活塞作用在气柱的其余部分，产生的声压信号通过整个气柱。该理论指出光声信号总是线性地正比于入射光子束的功率。如果样品的热参量和几何参量完全知道，则可以由测量光声信号对调制频率的依赖关系求得光吸收系数的绝对值[1]。文献综述