Den Klang des Lichts hören – Anwendungen von Lock-in-Verstärkern in der photoakustischen Spektroskopie
Wussten Sie, dass Licht Töne erzeugen kann? Im späten 19. Jahrhundert entdeckte der Wissenschaftler Alexander Graham Bell (der als einer der Erfinder des Telefons gilt) das Phänomen, dass Materialien Schallwellen erzeugen, nachdem sie Lichtenergie absorbiert haben, was als photoakustischer Effekt bekannt ist. Alexander Graham Bell Bildquelle: Sina Technology Nach den 1960er Jahren kamen mit der Entwicklung der Technologie zur Erkennung schwacher Signale hochempfindliche Mikrofone und piezoelektrische Keramikmikrofone auf den Markt. Wissenschaftler haben eine neue spektroskopische Analysetechnik entwickelt, die auf dem photoakustischen Effekt basiert – die photoakustische Spektroskopie, die zur Erkennung von Substanzen in Proben und ihrer spektroskopischen thermischen Eigenschaften verwendet werden kann und zu einem leistungsstarken Werkzeug für die physikalisch-chemische Forschung an anorganischen und organischen Verbindungen, Halbleitern, Metallen und Polymermaterialien wird , usw. Wie können wir Licht dazu bringen, Klang zu erzeugen? Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, fällt eine von einem Monochromator modulierte Lichtquelle oder ein gepulstes Licht, beispielsweise ein gepulster Laser, auf eine photoakustische Zelle. Das in der photoakustischen Zelle zu messende Material absorbiert Lichtenergie, und die Absorptionsrate variiert mit der Wellenlänge des einfallenden Lichts und dem Material. Dies ist auf die unterschiedlichen Energieniveaus der in den verschiedenen Materialien enthaltenen Atommoleküle zurückzuführen und die Absorptionsrate des Lichts durch das Material erhöht sich, wenn die Frequenz ν des einfallenden Lichts nahe am Energieniveau hν liegt. Die Atommoleküle, die nach der Absorption von Licht auf höhere Energieniveaus springen, bleiben nicht auf den höheren Energieniveaus; Stattdessen neigen sie dazu, Energie freizusetzen und in den niedrigsten Grundzustand zurückzukehren, wo die freigesetzte Energie oft als thermische Energie erscheint und dazu führt, dass sich das Material thermisch ausdehnt und sein Volumen ändert. Wenn wir das Volumen eines Materials einschränken, indem wir es beispielsweise in eine photoakustische Zelle packen, führt seine Ausdehnung zu Druckänderungen. Nach einer periodischen Modulation der Intensität des einfallenden Lichts ändern sich auch Temperatur, Volumen und Druck des Materials periodisch, was zu einer erkennbaren mechanischen Welle führt. Diese Schwingung kann von einem empfindlichen Mikrofon oder einem piezoelektrischen Keramikmikrofon erfasst werden, was wir als photoakustisches Signal bezeichnen. Prinzipschaltbild Wie misst ein Lock-in-Verstärker photoakustische Signale? Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das photoakustische Signal durch ein viel kleineres Drucksignal erzeugt wird, das aus sehr geringer Wärme (freigesetzt durch atomare oder molekulare Entspannung) umgewandelt wird. Die Erkennung solch extrem schwacher Signale ist o...
