Language
Country/Area
No result found
Удивительная связь света и звука: как возникает оптоакустический эффект?
Оптический акустический эффект, также известный как фотоакустический эффект, описывает явление звуковых волн, возникающих при поглощении света внутри образца материала. В основе явления лежат изменения интенсивности света, будь то периодически модулированный свет или однократная вспышка импульсного света. С помощью подходящего детектора, например микрофона или пьезоэлектрического датчика, мы можем измерить изменения звуковых волн, т. е. изменения давления, и количественно оценить их как фотоакустические сигналы. Этот метод измерения доказал свою ценность во многих приложениях, особенно при анализе свойств и концентрации образцов, позволяя ученым рисовать точные спектры поглощения и использовать интенсивные импульсы света, обеспечиваемые лазерами, для обнаружения следовых концентраций. Повышение чувствительности.
Изучение фотоакустического эффекта не только оказывает глубокое влияние на спектроскопию, но и играет роль в фотохимических реакциях и фотосинтезе растений.
Это явление восходит к 1880 году, когда Александр Грэхем Белл впервые провел эксперименты с фотоакустическим эффектом и обнаружил, что при быстром прерывании луча света твердый образец излучает звуковые волны, поглощая световую энергию. В то время Белл использовал свой «фотофон» для передачи звука на большие расстояния; в ходе эксперимента он наблюдал, что прерывание светового луча приводит к возникновению звуковых волн, что вдохновило на более позднее исследование фотоакустического явления. Со временем изучение этого эффекта стало более зрелым благодаря технологическому прогрессу в области чувствительных датчиков и мощных источников света, а сфера его применения стала все шире.
Физические механизмы
Основным механизмом фотоакустического эффекта является фототермический эффект, представляющий собой тепловое расширение, вызванное поглощением света веществом. Процесс можно условно разделить на несколько этапов: сначала импульсное или модулированное излучение света преобразуется в тепловую энергию; затем в месте поглощения изменяется температура; затем из-за повышения и понижения температуры происходит расширение материала. или контракты, вызывающие давление. изменения. Эти изменения давления можно обнаружить с помощью датчиков, подключенных непосредственно к образцу.
В случае образцов конденсированной фазы изменения давления обычно измеряются в окружающей газовой фазе, и эти изменения чрезвычайно малы из-за термодиффузии.
Помимо фототермического эффекта, другие механизмы, связанные с фотофизическими и фотохимическими реакциями, также могут вносить значительный вклад в фотоакустический сигнал, особенно газообразование и изменения молекулярной организации, происходящие во время фотосинтеза. Это показывает, что понимание множественных механизмов имеет решающее значение при применении фотоакустических методов.
Технология обнаружения
Чтобы применить фотоакустический эффект, ученые разработали различные режимы измерения. Для газовых проб или проб конденсированной фазы обычно используется микрофон для измерения изменений давления в окружающей газовой фазе. В этом случае источник стимулирующего света обычно непрерывно переключается с определенной частотой, а затем смоделированный фотоакустический сигнал анализируется с помощью синхронного усилителя. Измерение давления внутри конденсированной фазы осуществляется с помощью пьезоэлектрических датчиков, установленных на образце, что требует высокоточного оборудования для регистрации быстрых изменений давления.
Характеристики фотоакустического сигнала зависят от многих факторов, включая физические свойства, механизм формирования сигнала и используемый светопоглощающий материал. Для проведения точных измерений исследователи столкнулись с трудностями разделения сигналов и анализа временной зависимости, что потребовало сочетания множества методик и методов.
Применение: от спектроскопии до наук о жизни
Фотоакустический эффект имеет широкий спектр применения. Фотоакустическая спектроскопия особенно полезна при измерении поглощения света прозрачными образцами, поскольку она преодолевает ограничения традиционной спектроскопии и напрямую связана с поглощением света. Это позволяет проводить точную диагностику как высоких, так и низких концентраций материала. В случае непрозрачных образцов при размещении датчика над образцом для измерения полученный сигнал напрямую связан с поверхностью образца и его поглощением света.
В настоящее время фотоакустическая технология используется для целевого анализа и количественного измерения других макроскопических молекул, таких как белки, демонстрируя большой потенциал.
Кроме того, фотоакустический эффект также играет важную роль в исследованиях фотосинтеза, предоставляя информацию об эффективности преобразования световой энергии в химическую энергию и образовании кислорода. Это позволяет ученым получить механистическое представление о фотосинтезе и определить здоровье растений по их реакции на изменения окружающей среды.
В целом связь между световыми и звуковыми волнами продолжает приносить глубокие научные знания, которые меняют наш способ понимания и изучения окружающего мира. Смогут ли будущие фотоакустические технологии с развитием науки и техники раскрыть нам больше тайн Вселенной?
