一种低温光声光谱检测系统

　　光声光谱技术是通过测定样品光照激发态退激发过程中热释放产生的压力波而间接得到材料的光谱信息的技术，是一种比较新型的材料无损测试技术，具有灵敏度高、能进行微量分析、以及不受样品形状限制等优点，特别适合于强散射、非透明样品的检测，已广泛应用于生物医学、物理、化学和环境监测等领域，可测量粉末、非晶态、无定形化合物、冻胶、油污以及各种生物和医学材料[1-3]。

　　目前低温下物质性质参数测量技术手段十分有限，多年来一直困扰低温物质的研究。为此，一些对人类发展非常重要的研究如超导机理研究、功能材料等研究因为相关物质参数的缺损而长时间裹足不前。凝聚态光声技术原理可在低温下通过光声信号对光吸收系数的依赖关系，开展光声谱研究，利用其对光热转换系数的依赖性，研究物质的热退激发过程，并由此获得非热退激发( 如光辐射) 过程的信息，进而获取物质的微观物理、化学性质。然而低温环境下国内外的光声光谱研究报道比较少， 70 年代Murphy 和Aamodt 等人[4]利用气体-传声盒在77k 进行Al2O3中Cr3+的低温光声试验，所用装置的结构及使用方法均很复杂，而且存在无法消除的来自低温液体沸腾( 如液氮) 的噪声，并且声音信号从细长金属管传至池外的微声器不是很有效，实用性不强。吴次南等人[5]利用氦氖激光研究了BiPbCsCaCuO 超导材料在超导转变过程中的光声变化，并用在超导转变过程中的热传导率变化和比热跃变进行了解释，遗憾的是没有在超导临界温度下对于超导材料的光声谱做进一步的研究。

　　本论文基于凝聚态的光声光谱原理[6]，采用了光纤导入技术和双腔结构，优化光声池设计以提高光声转化效率，系统中各个仪器设备由计算机统一控制，成功设计出扫描范围300 nm ～ 800 nm 分辨率为1 nm，灵敏度高、性能稳定，可在室温和液氮温度下测量物质的光声光谱的检测系统，并利用该系统测量出碳黑在室温和液氮温区的光声光谱，进而验证了本系统在低温下的具有较灵敏的光谱响应特性。

　　1 系统组成

　　本系统主要由时变辐射单元、低温光声池单元、微弱信号检测单元、计算机自动控制单元四大部分组成。总体结构设计如图1 所示。氙灯发出的白光入射到光栅单色仪，由单色仪分光后出射的是单色光，经斩波器调制后变成强度为周期变化的调制光，再经聚焦到光纤窗口入射到低温光声池内试样上，由于试样周期性的加热致使其相邻的媒质受到周期性加热，从而在相邻的媒质中激发出声信号，再由池内麦克风检测出试样产生出的光声信号。由于光信号比较微弱，通过锁相放大器把光声信号与斩波器发出的和光声信号同频率的参考信号进行相关运算后放大，最后显示并保存。