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光声光谱的魔法：亚历山大·贝尔如何用阳光揭开声音的秘密？
在1880年，亚历山大·贝尔进行了一项堪称科学史上的突破性实验，发现当一束阳光迅速被一个旋转的槽盘中断时，薄圆盘便会发出声音。这一实验揭示了光与声之间不可思议的联系，而随着时间的推移，这一原理演变成了今天的光声光谱技术。这项技术的核心在于计测吸收的电磁能量（特别是光）对物质的影响，并通过声音探测来实现。
光声效应的基本原理在于，当光被物质吸收后，局部加热导致热膨胀，进而产生压力波或声音。
贝尔的发现不仅限于可见光，他还发现材料曝露于太阳光谱的非可见部分（例如红外线和紫外线）也会产生声音。通过在不同波长的光下测量声音，可以记录样品的光声光谱，这对于识别样品的吸收成分至关重要。这项技术可以用于研究固体、液体和气体。
用途与技术
现代的光声光谱学已成为研究气体浓度的重要手段，能够检测到达到十亿分之一甚至千亿分之一水平的痕量气体。虽然现代的光声检测器仍然依赖贝尔的基本原理，但为了提高灵敏度，进行了一些改进。与其使用阳光，现今通常使用强激光来照射样品，因为所产生的声音强度与光强度成正比，这一技术被称为激光光声光谱学（LPAS）。
耳朵的角色被高度灵敏的麦克风所取代，通过进一步放大和锁相放大器探测信号来提高灵敏度。
另外，将气体样品包围在圆柱形腔体中，通过将调制频率调整至样品腔的声学共振，还可以进一步放大声音信号。而采用悬臂梁增强的光声光谱技术，则能让灵敏度进一步提高，实现对气体的可靠监测。
实例
示范光声技术潜力的一个例子，发生在1970年代，研究人员使用气球搭载的光声探测器测量位于28公里高空中的一氧化氮浓度的时间变化。这些测量为解析人类排放的一氧化氮所造成的臭氧消耗问题提供了关键数据。这部分早期工作依赖于Rosencwaig和Gersho的RG理论的发展。
应用
使用傅里叶变换红外光声光谱学的主要能力之一是能够在原位状态下评估样本，这可以用来检测和定量化化学官能团和化学物质，特别是对于生物样本而言无需粉碎或化学处理。贝壳、骨骼等样本均曾被研究。光声光谱学的应用还帮助评估了骨骼中与成骨不全症有关的分子相互作用。
尽管大多数学术研究集中在高分辨率仪器上，过去二十年来，针对漏气检测和二氧化碳浓度控制等应用，开发并商业化了非常低成本的仪器。通常使用低成本热源，并通过电子调制进行操作。使用半透膜而非阀门进行气体交换、低成本麦克风，以及使用数字信号处理器进行专有信号处理，已经显著降低这些系统的成本。
低成本光声光谱学的未来可能实现完全整合的微机械光声仪器。光声方法亦被用来定量测量如蛋白质等大分子，具体通过使用能够发出强烈声音信号的纳米颗粒来标记和检测目标蛋白质。基于光声的蛋白质分析还应用于即时检测。
此外，光声光谱学还有许多军事应用，例如检测有毒化学剂。光声光谱学的灵敏度使其成为检测与化学攻击有关的微量化学物质的理想分析技术。 LPAS传感器可广泛应用于工业、安保（神经毒剂和爆炸物检测）和医学（呼吸分析）领域。
光声光谱技术自贝尔以来便不断演进，它将光学与声学结合为一，为科学探索开启了新的大门。随着技术的不断进步，科学家们又将如何利用这项技术来探索未知的领域呢？
