光聲效應在一個(ge) 多世紀前被發現，並於(yu) 1880年首次報道。這種效應包括兩(liang) 個(ge) 步驟：(1)通過吸收調製光產(chan) 生熱量和(2)通過隨後的熱膨脹產(chan) 生聲音。它被認為(wei) 是光譜研究中評價(jia) 固體(ti) 、液體(ti) 和氣體(ti) 的一種靈敏技術。PA光譜已被廣泛国产成人在线观看免费网站於(yu) 化學檢測、材料研究、生物醫學成像等領域。
利用量子級聯激光和超靈敏麥克風對爆炸物進行對峙光聲探測（一）
早在幾年，使用高功率中紅外激光源（如CO2激光器或光學參量振蕩器）進行化學檢測已有報道。一項早期的研究，作者將其命名為(wei) 光聲探測和測距（PADAR），展示了利用PA效應對氣體(ti) 蒸氣進行對峙探測和測距。近年來，對峙PA檢測也国产成人在线观看免费网站於(yu) 凝聚態介質和液體(ti) 。利用光熱效應對爆炸物進行對峙探測已有報道。該技術通過監測爆炸樣品在CO2激光照射下的溫升，實現了對峙檢測。然而，在演示中，為(wei) 了增加熱對比度，避免焦平麵陣列（FPA）的熱飽和，將含有炸藥的土樣放置在平台上，並以天空為(wei) 背景。在實際的現場操作中，地麵或背景溫度很容易使FPA飽和，從(cong) 而難以區分溫差。在另一項研究中，基於(yu) PA效應變化的對峙爆炸檢測被報道為(wei) bbb。在那項研究中，石英音叉被用作中紅外探測器，用於(yu) 探測來自覆蓋有爆炸性化學物質表麵的反射光。該技術依靠良好的目標表麵反射，為(wei) 音叉振蕩模式激發提供足夠的返回中紅外光子。同樣，在實際的野外作業(ye) 中，在目標地點可能無法獲得接近完全垂直的反射平麵。需要一個(ge) 超高靈敏度的中紅外探測器來檢測弱後向散射信號，衰減率為(wei) 1∕r2，其中r為(wei) 檢測距離。
另一方麵，我們(men) 利用超靈敏的麥克風來檢測目標樣本直接產(chan) 生的PA信號。我們(men) 的技術不依賴於(yu) 中紅外光反射或後向散射；因此，在目標位置附近的任何地方都不需要反射麵。地溫也不影響我們(men) 的測量結果。此外，由於(yu) 聲檢測機製是測量壓力波振幅，因此信號強度衰減與(yu) 1∕r相關(guan) ，而不是與(yu) 1∕r2相關(guan) 。聲波測量具有1∕r的依賴關(guan) 係，有利於(yu) 延長探測距離。為(wei) 了增強信號和抑製環境噪聲，我們(men) 可以進一步使用聲陣列波束形成技術。由於(yu) 麥克風或麥克風陣列的成本可以比中紅外fpa低得多，因此可以以相對較低的成本獲得高性能的大型聲學陣列。這裏提出的PA對峙檢測技術可以經濟有效地實現並国产成人在线观看免费网站於(yu) 大多數環境，沒有許多限製或特殊要求，這與(yu) 迄今為(wei) 止演示的其他技術不同。
zui近，我們(men) 展示了使用中紅外QCL和駐極體(ti) 麥克風在室溫和大氣壓下超過41英尺的氣體(ti) 蒸汽的直接僵局PA檢測。由於(yu) 三硝基甲苯（TNT）等爆炸性化學品的超低揮發性，本研究主要針對固體(ti) 相TNT粉末進行研究。在這些方案中，當中紅外QCL輸出光聚焦在TNT樣品上時，通過激光加熱效應和固體(ti) 樣品與(yu) 周圍空氣之間的熱耦合產(chan) 生聲波。然後使用超靈敏的麥克風在距離外直接檢測產(chan) 生的PA信號。
凝聚態物質的聲壓檢測理論可分為(wei) 兩(liang) 類：(1)在凝聚態物質中產(chan) 生熱量，隨後在周圍空氣中產(chan) 生聲音，由麥克風檢測；(2)在凝聚態物質中產(chan) 生熱量和聲波，由壓電換能器檢測聲音。我們(men) 的研究屬於(yu) 第1種情況，固體(ti) TNT被入射的中紅外QCL光加熱，並在露天中產(chan) 生聲波並由麥克風檢測。
在第1個(ge) 場景中，關(guan) 於(yu) PA信號的產(chan) 生有兩(liang) 種綜合影響。第1個(ge) 過程涉及凝聚態物質的熱膨脹和收縮，並隨後將振動運動傳(chuan) 遞給周圍的空氣。二是從(cong) 冷凝物到周圍空氣的周期性熱流和隨後的空氣膨脹/收縮。然而，rosencwaaig和Gersho發現第1效應太小，PA波的主要來源是凝聚態物質向周圍空氣的反複換熱。在他們(men) 的研究中，一個(ge) 完整的模型，被稱為(wei) Rosencwaig-Gersho理論，導出了從(cong) PA細胞中的固體(ti) 生成PA的模型。擴聲信號由入射光功率、材料吸收係數和擴聲電池的幾何形狀決(jue) 定。開放環境中的PA理論與(yu) PA單元中的PA理論不同，因為(wei) 它不依賴於(yu) 單元的幾何形狀。然而，Rosencwaig-Gersho理論也可以国产成人在线观看免费网站於(yu) 開放環境PA理論的研究，但需要做一些修改。
後來，基於(yu) 同樣的理論，Harris等人研究了開放環境下PA對凝聚態物質的影響，得出PA信號與(yu) 激光脈衝(chong) 能量和逆探測距離[12]線性相關(guan) 的結論。我們(men) 將省略PA信號的詳細表達式，將研究中的簡化表達式重寫(xie) 為(wei) ：
式中B為(wei) 比例常數，α為(wei) 材料吸收係數，E為(wei) 激光脈衝(chong) 能量，R為(wei) 探測距離。
本文將對脈衝(chong) 激光激發固體(ti) 物質PA信號的產(chan) 生進行現象學描述。在我們(men) 的實驗中，TNT樣品以粉末形式放置在不吸收我們(men) QCL波長的矽片上。總共1毫克TNT粉末均勻地散布在約1平方毫米的區域。在密度為(wei) 1.654 g∕cm3的情況下，固體(ti) TNT樁的厚度約為(wei) L ~ 0.6 mm。
假設激光器在脈衝(chong) 條件下工作，初始脈衝(chong) 能量為(wei) E0。該材料在激光波長處的吸收係數為(wei) α。在上述假設條件下，忽略反射和散射，目標介質吸收的能量為(wei)
αL < 1時，大部分脈衝(chong) 能量被吸收，Eabs≈E0；在αL≪1的情況下，吸收能量為(wei) Eabs≈αLE0。在我們(men) 的研究中，由於(yu) TNT樣品的強中紅外吸收和較厚的深度，大部分入射光被認為(wei) 被吸收了。假設非輻射鬆弛在此過程中占主導地位；因此，大部分被吸收的能量轉化為(wei) 熱能。在係統對環境不做功的情況下，單位體(ti) 積內(nei) 熱力學能的變化量與(yu) 係統溫度的變化量成正比。因此，吸收的能量與(yu) 目標介質中的溫升
其中Cp是材料的比熱，ρ是材料的密度，V是激光輻射照射的體(ti) 積。
因此，我們(men) 計算了介質中的溫升
介質中的溫度升高會(hui) 加熱周圍的空氣，引起周圍空氣的溫度升高，如ΔTair所示。
此外，周圍空氣溫度的升高與(yu) 固體(ti) 樣品溫度的升高成正比ΔT。因此我們(men) 有
根據理想氣體(ti) 定律，周圍空氣中相應的壓力變化與(yu) 溫度上升成正比，由
這裏N是空氣中每單位體(ti) 積氣體(ti) 分子的數量，kB是玻爾茲(zi) 曼常數。由於(yu) 激光是在脈衝(chong) 條件下調製的，周圍的空氣產(chan) 生壓力膨脹和收縮，從(cong) 而產(chan) 生聲波。值得指出的是，在此過程中，由於(yu) 熱膨脹，入射光對樣品的照度也會(hui) 發生變化。然而，與(yu) 熱傳(chuan) 遞引起的溫度變化相比，這種影響很小。
從(cong) 上麵的分析可以看出，表達式與(yu) 之前的研究相似。脈衝(chong) 激光誘導的PA信號強度與(yu) 激光脈衝(chong) 能量成正比。如前所述，隨著聲波的傳(chuan) 播，信號強度隨1∕r關(guan) 係衰減；因此，擴音信號的距離測量與(yu) 檢測距離成反比。
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