Ascoltare il suono della luce - Applicazioni degli amplificatori lock-in nella spettroscopia fotoacustica
Sapevi che la luce può creare il suono? Alla fine del XIX secolo, lo scienziato Alexander Graham Bell (considerato uno degli inventori del telefono) scoprì il fenomeno dei materiali che producono onde sonore dopo aver assorbito l'energia luminosa, noto come effetto fotoacustico. Alexander Graham Bell Fonte immagine: tecnologia Sina Dopo gli anni '60, con lo sviluppo della tecnologia di rilevamento dei segnali deboli, apparvero microfoni altamente sensibili e microfoni piezoelettrici in ceramica. Gli scienziati hanno sviluppato una nuova tecnica di analisi spettroscopica basata sull'effetto fotoacustico: la spettroscopia fotoacustica, che può essere utilizzata per rilevare le sostanze dei campioni e le loro proprietà termiche spettroscopiche, diventando un potente strumento per la ricerca fisico-chimica in composti inorganici e organici, semiconduttori, metalli, materiali polimerici , eccetera. Come possiamo fare in modo che la luce crei il suono? Come mostrato nella figura seguente, una sorgente luminosa modulata da un monocromatore, oppure una luce pulsata come un laser pulsato, incide su una cella fotoacustica. Il materiale da misurare nella cella fotoacustica assorbe l'energia luminosa e il tasso di assorbimento varia con la lunghezza d'onda della luce incidente e del materiale. Ciò è dovuto ai diversi livelli energetici delle molecole atomiche costituite nei diversi materiali, e il tasso di assorbimento della luce da parte del materiale aumenta quando la frequenza ν della luce incidente è vicina al livello energetico hν. Le molecole atomiche che saltano a livelli energetici più alti dopo aver assorbito la luce non rimangono ai livelli energetici più alti; tendono invece a rilasciare energia e a rilassarsi tornando allo stato fondamentale più basso, dove l'energia rilasciata spesso appare come energia termica e fa sì che il materiale si espanda termicamente e cambi di volume. Quando limitiamo il volume di un materiale, ad esempio, inserendolo in una cella fotoacustica, la sua espansione porta a cambiamenti di pressione. Dopo aver applicato una modulazione periodica all'intensità della luce incidente, anche la temperatura, il volume e la pressione del materiale cambiano periodicamente, risultando in un'onda meccanica rilevabile. Questa oscillazione può essere rilevata da un microfono sensibile o da un microfono ceramico piezoelettrico, che è ciò che chiamiamo segnale fotoacustico. Schema di principio In che modo un amplificatore lock-in misura i segnali fotoacustici? In sintesi, il segnale fotoacustico è generato da un segnale di pressione molto più piccolo convertito da un calore molto piccolo (rilasciato dal rilassamento atomico o molecolare). Il rilevamento di segnali così estremamente deboli non può necessariamente essere effettuato senza amplificatori lock-in. Nella spettroscopia fotoacustica, il segnale raccolto dal microfono deve essere amplificato da un preamplificatore e qu...
