实用光声光谱实验系统

　　1　引　言

　　光声光谱技术是光谱学的一个重要分支,它具有灵敏度高、样品无需预处理、样品无损和可测光谱范围广等特点,在科学研究和检测中得到广泛的应用,如固体的定量分析、气体成分分析、表面和界面的研究、化学及生物医药研究、环境监测和火灾监测等[1～4]。光声光谱技术成功解决了传统光谱方法不易解决的问题,成为科学研究中十分重要的检测和分析手段。由于国内外各厂家生产的光声光谱仪的功能各异且价格不菲,故使光声光谱技术在科研及教学上的推广受到限制。现根据光声光谱技术原理,建立了一套实用的光声光谱实验系统。该系统的光谱范围在360nm～2500nm内连续可调,波长分辨力达0.1nm,测量灵敏度高,使用调节方便,可用于固体、粉末和胶状体材料的测量。现主要介绍光声光谱实验系统的组成、功能和特点,并给出实验结果。

　　2　光声光谱实验系统的构成

　　2.1　光声光谱的原理

　　在光的照射下,物质吸收光能后在不产生发光及光化学反应而被激发到高能态,在退激过程中主要为无辐射跃迁,物质吸收光转化为热能,物体的内能增加导致热膨胀,若入射光的强度被调制,由此产生随时间变化的弹性应力波即光声信号,光声光谱就是通过测定这种声波来获得物质的光学和热学信息的一种检测方法,同时也获得了光与物质相互作用的特性。根据光声光谱的RG理论,光声信号的表达式可表示为[1,5]:

　　其中I0(λ)为入射光的光强,k是与光声池结构、斩波频率和传声器的灵敏度等有关的比例常数,β(λ)为样品对光吸收系数,pg为光声信号的强度,通过检测不同波长时的β(λ),可得到被测材料的光声光谱。

　　2.2　光声光谱实验系统的组成及特点

　　光声光谱系统主要由氙灯、单色仪、斩波器、光声池、锁相放大器和数据采集系统组成。实验系统组成框图如图1所示。光源采用大功率弧光氙灯,氙灯发射光谱能覆盖从紫外到近红外很宽的范围。研制了卧式和立式两种结构的灯箱,卧式结构采用椭球面反射镜聚焦并充分利用光源的能量;立式结构则可以获得非常小的光斑,有利于提高光谱分辨力。实验系统采用SBP300型单色仪,具有自动转换光栅的功能,光谱范围在200nm～2500nm内可调,其读数精度达0.1nm,配有单色仪控制及数据采集系统。由氙灯发出的光经过单色仪以后,输出的光可近似看成单色光,再经过斩波器调制后入射到光声池内,将光声池输出的信号放大后再与斩波器的同步信号作为参考信号分别输送给锁相放大器,通过锁相放大器的处理再输出给数据采集系统,由计算机采集数据。计算机通过控制单色仪的转动和数据采集系统,可以得到任何波长的信号幅度值,通过连续采集则得到样品连续的光声信号,若样品为碳黑,得到的则是氙灯的发射功率谱。