液体光声效应及光纤水声探测技术的研究

　　0 引言

　　激光光束照射到固体表面或气体和液体中,会与被照射物质相互作用产生一定强度和频率的声波,这就是光声效应。20世纪70年代以后,随着大功率激光器技术的不断成熟,光声效应的研究得到了新的发展。光声效应作为固体物质表面检测和物质成分含量分析的有效手段,已经广泛应用于物理、化学、医学、海洋、环境和材料等研究领域,有着广阔的发展前景。同样,光声效应也可以应用于气体和液体成分含量的检测。本文主要介绍光声效应在液体成分含量测量中的相关问题。

　　既然光声效应中,物质对光的作用产生了声信号,声探测器就成为了光声效应应用系统中的重要组成部分。本文主要以近年来发展迅速的光纤水声探测技术为对象,展开详细的论述和分析。

　　1 液体光声效应的激光激发机制

　　液体中的光声效应的激光激发机制,主要包括热膨胀机制、汽化机制和介质击穿机制。在这3种机制中,入射激光能量强度依次增大。除这3种主要的机制外,光声效应还可以通过电致伸缩、光化学反应等其他机制产生。但其他机制或由于产生的声音信号很微弱,或受到特殊的反应物质限制,并不经常被使用,在此不再详细介绍。

　　1.1 热膨胀(thermal expansion)机制

　　激光束射入液体中,当光强较低(低于108W/cm2)时[1],受激液体分子发生无辐射的驰豫过程,液体介质因吸收光能而被瞬时加热膨胀,从而向周围的介质中辐射脉冲声波,这种利用热膨胀机制产生物质弹性应力和位移变化的过程,也被称作热弹效应(thermoelastic effect)[7,8]。由于是被测物质吸收光能被加热而产生的热效应和声效应,这种现象也被称作光声光热(photothermal)效应。激光光热光谱学方法,演变出很多变种,但其过程的物理学本质都是光声光热效应。如激光热透镜光谱法、激光光热瞬态畸变光谱法、激光光热偏转光谱法、激光光热折射光谱法和激光光热干涉光谱法等[5,6],这些方法都已经被应用于分析化学技术中,并被开发为一类高灵敏度和高空间分辨力的吸收光谱学方法。

　　在热膨胀机制中,光声源的形状与液体的吸收系数相关。对于强吸收液体(如CO2激光射入水介质时),激光深入液体的深度较光束直径小,声源位于液体表面的位置,可以近似为直径等于光束直径的平面光声源;对于弱吸收液体,则可以近似为直径等于光束直径的柱状光声源。另外,还可以利用会聚透镜等方法,把激光的能量会聚到液体中近似球状的区域内形成球状光声源。

　　1.2 汽化(vaporization)机制

　　当脉冲激光光强达到10⁸W/cm²时,被激光加热的液体介质温度达到沸点时,物质开始从液态转变为气态。能量密度接近汽化热时,汽化主要发生在液体表面。当激光强度增大,能量密度大大超过液体的汽化热时,在液体近表面层内发生强烈汽化。沸腾过程中,在液体中激发声脉冲。