2.1光声效应

如图2-1所示，样品置于密闭容器中，利用光进行照射，待测物的原子或分子吸收光能被激发到高能态，再通过非辐射跃迁消除激发，以热能形式向外释放能量。释放的热能使样品和周围介质加热，并向周围气体传播从而产生压力波动即压强。为了使容器内气体压强按一定频率周期变化，我们需要对照射光束强度进行周期性调制，进而产生光声信号。光声信号和光调制的频率相同，其大小与待测物吸收的光能量成正比，可以用高灵敏度的麦克风或微音器接收，强度和相位取决于物质的弹性、几何、光学和热学等各种特性，即：单色光经过强度调制后照射待测物，使得容器内的待测物产生的声波频率与斩波器相同，此为光声效应（photoacoustic effect）。

图2-1光声效应图示（1-窗口，2-界面，3-微音器，4-样品）

2.2光声光谱检测技术原理

光声光谱气体检测方法把光声转换效应与微弱信号探测技术结合，以此实现对气体的检测，如图2-2所示。

图 2-2 光声光谱检测装置结构图

光源发出的一束单色光射向充入待测气体的光声池，若光的波长大小处于气体的吸收范围之内，气体原子或分子通过无辐射跃迁方式从激发态回到基态，待测气体吸收光能量而产生的热源 会向周围激发出声压信号 ，其波动方程如下[28]：

其中 为位移矢量； 为气体中声速； 为气体热容比； 为热功率密度（ ， 气体吸收系数， 入射光强）。

光声池内的声场包含有各种分布模式，这些分布模式又被称作声波的简正模式，每一个简正模式都各自代表着光声池内的一个驻波形式。当声压信号满足 ( 为竖直分量)时，池内声压的简正模式可由下述方程计算得到：

其中 。若为圆柱形光声池，则式(2.2)解为

式中， 表示简正模式的径向特征值， 表示简正模式的角向特征值， 表示简正模式的纵向特征值，它们表示了光声池各个方向上声场节平面的个数； 是 阶贝塞尔函数（Bessel Function）的第 个解； 为谐振腔的长度。各模式所对应的简正频率可由(2-4) 式计算得到[29]：

综合实际检测，并对(2-1)式求解，微音器探测到的光声信号强度 可表示为如下形式：

其中 代表光声池的池常数， 代表待测气体原子或分子的吸收系数， 代表入射激光的功率， 代表待测气体的浓度， 代表微音器的灵敏度。

由上式可见，当光声池池常数及入射激光功率确定后，对一特定的待测气体而言，同一微音器所测得的光声信号强度与待测气体的浓度呈线性关系，因此可通过测量时得到的光声信号反演出待测气体的浓度信息。测量时为增大光声信号强度，一般会将光的调制频率设定为光声池某一简正模式的简正频率（即光声池的共振频率），从而使光声信号的幅值通过共振放大达到极大值，把这种情况下的光声池称为共振性光声池。本文中采用的光声池就是共振性光声池。