如何“听见”光的声音？锁相放大器在光声光谱中的应用

你知道光能创造声音吗？

19世纪末，科学家亚历山大·格拉汉姆·贝尔（被认为是电话发明人之一）发现了材料在吸收光能之后产生音波的现象，即光声效应。

亚历山大·格拉汉姆·贝尔。图片来源：新浪科技

20 世纪六十年代以后，随着微信号检测技术的发展，高灵敏微音器和压电陶瓷传声器的出现，科学家们基于光声效应发展出了一种新的光谱分析技术——光声光谱，可用于检测样品的物质及其光谱学热学性质，成为了无机和有机化合物﹑半导体﹑金属﹑高分子材料等方面物理化学研究的有力手段。

如何让光创造声音？

如下图所示，一个经过单色仪调制的光源，或者是如脉冲激光一类的脉冲光，入射到光声池中。光声池中的待测材料会吸收光能，其吸收率会随入射光的波长以及材料的改变而改变。这是由于不同材料中构成的原子分子能级不同，当入射光频率ν与能级hν接近时，材料对光的吸收率会提高。吸收光之后跃迁到更高能级的原子分子不会一直保持在高能级，相反它们会倾向于释放能量而弛豫回到最低的基态，释放的能量常会以热能的方式出现，并导致材料受热膨胀，体积发生变化。

当我们限制住材料的体积，譬如将其装入光声池中，其膨胀会导致压力的变化。在对入射光的强度施加周期性调制后，材料的温度、体积以及压力也会产生周期性的变化，进而产生可探测的机械波。这个震荡可以被灵敏的微音器或压电陶瓷传声器检测，也就是我们所说的光声信号。

原理示意图

锁相放大器如何测量光声信号？

综上所述，光声信号是由（原子或者分子弛豫释放的）极微小的热量转化成的更小的压力信号产生。探测这样极其微弱的信号必然离不开锁相放大器。

在光声光谱测量中，从微音器采集到的信号需要通过一个前置放大器放大，再通过锁相放大器锁定我们需要的频率信号，这样才能探测到较高信噪比的光声光谱信号，从而对样品的性质进行测量。

国仪量子基于在量子精密测量领域深厚的技术积累和出色的产品工程化能力，推出了一系列的微弱信号检测仪器，数字锁相放大器LIA001M就是其中之一，它在光学、材料科学、量子技术、扫描探针显微镜和传感器等领域的研究中发挥着重要作用。

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