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光聲光譜的魔法：亞歷山大·貝爾如何用陽光揭開聲音的秘密？
在1880年，亞歷山大·貝爾進行了一項堪稱科學史上的突破性實驗，發現當一束陽光迅速被一個旋轉的槽盤中斷時，薄圓盤便會發出聲音。這一實驗揭示了光與聲之間不可思議的聯繫，而隨著時間的推移，這一原理演變成了今天的光聲光譜技術。這項技術的核心在於計測吸收的電磁能量（特別是光）對物質的影響，並通過聲音探測來實現。
光聲效應的基本原理在於，當光被物質吸收後，局部加熱導致熱膨脹，進而產生壓力波或聲音。
貝爾的發現不僅限於可見光，他還發現材料曝露於太陽光譜的非可見部分（例如紅外線和紫外線）也會產生聲音。通過在不同波長的光下測量聲音，可以記錄樣品的光聲光譜，這對於識別樣品的吸收成分至關重要。這項技術可以用於研究固體、液體和氣體。
用途與技術
現代的光聲光譜學已成為研究氣體濃度的重要手段，能夠檢測到達到十億分之一甚至千億分之一水平的痕量氣體。雖然現代的光聲檢測器仍然依賴貝爾的基本原理，但為了提高靈敏度，進行了一些改進。與其使用陽光，現今通常使用強激光來照射樣品，因為所產生的聲音強度與光強度成正比，這一技術被稱為激光光聲光譜學（LPAS）。
耳朵的角色被高度靈敏的麥克風所取代，通過進一步放大和鎖相放大器探測信號來提高靈敏度。
另外，將氣體樣品包圍在圓柱形腔體中，通過將調製頻率調整至樣品腔的聲學共振，還可以進一步放大聲音信號。而採用懸臂梁增強的光聲光譜技術，則能讓靈敏度進一步提高，實現對氣體的可靠監測。
實例
示範光聲技術潛力的一個例子，發生在1970年代，研究人員使用氣球搭載的光聲探測器測量位於28公里高空中的一氧化氮濃度的時間變化。這些測量為解析人類排放的一氧化氮所造成的臭氧消耗問題提供了關鍵數據。這部分早期工作依賴於Rosencwaig和Gersho的RG理論的發展。
應用
使用傅里葉變換紅外光聲光譜學的主要能力之一是能夠在原位狀態下評估樣本，這可以用來檢測和定量化化學官能團和化學物質，特別是對於生物樣本而言無需粉碎或化學處理。貝殼、骨骼等樣本均曾被研究。光聲光譜學的應用還幫助評估了骨骼中與成骨不全症有關的分子相互作用。
儘管大多數學術研究集中在高分辨率儀器上，過去二十年來，針對漏氣檢測和二氧化碳濃度控制等應用，開發並商業化了非常低成本的儀器。通常使用低成本熱源，並通過電子調製進行操作。使用半透膜而非閥門進行氣體交換、低成本麥克風，以及使用數字信號處理器進行專有信號處理，已經顯著降低這些系統的成本。
低成本光聲光譜學的未來可能實現完全整合的微機械光聲儀器。光聲方法亦被用來定量測量如蛋白質等大分子，具體通過使用能夠發出強烈聲音信號的納米顆粒來標記和檢測目標蛋白質。基於光聲的蛋白質分析還應用於即時檢測。
此外，光聲光譜學還有許多軍事應用，例如檢測有毒化學劑。光聲光譜學的靈敏度使其成為檢測與化學攻擊有關的微量化學物質的理想分析技術。LPAS傳感器可廣泛應用於工業、安保（神經毒劑和爆炸物檢測）和醫學（呼吸分析）領域。
光聲光譜技術自貝爾以來便不斷演進，它將光學與聲學結合為一，為科學探索開啟了新的大門。隨著技術的不斷進步，科學家們又將如何利用這項技術來探索未知的領域呢？
