基于光致瞬態(tài)光柵測量液體內(nèi)的聲速

劉偉龍，黃 麗，楊慶鑫，楊延強(qiáng)，趙海發(fā)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

聲速是物理學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)以及海洋學(xué)等許多研究領(lǐng)域都需要的重要參量，能夠?yàn)樘剿鹘橘|(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、分子運(yùn)動和分子間相互作用等提供重要信息，因此對氣態(tài)、液態(tài)及固態(tài)介質(zhì)中聲速的測量都具有重要意義. 在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中通常開設(shè)空氣中聲速測量[1-2]和聲光衍射方法測量液體中的聲速[3-4]等綜合性實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)普遍采用超聲換能器在介質(zhì)中產(chǎn)生固定頻率的超聲波，再利用壓電效應(yīng)或光柵衍射原理對超聲波的波長進(jìn)行探測，通常需要將介質(zhì)與超聲換能器直接接觸，屬于接觸式測量. 本文介紹基于光致瞬態(tài)光柵測量介質(zhì)中聲速的方法，該方法具有非接觸測量的優(yōu)點(diǎn)，可用于觀測高溫、高壓等極端條件下材料中的聲速.

1 光致瞬態(tài)光柵測量介質(zhì)中聲速的原理

利用光致瞬態(tài)光柵技術(shù)測量介質(zhì)中聲速的原理如圖1所示[5]. 來自同一光源波長為λ的2個亞皮秒激光脈沖以夾角θ入射到介質(zhì)中，當(dāng)2個光脈沖實(shí)現(xiàn)時間、空間重合時，在介質(zhì)中產(chǎn)生干涉，設(shè)其形成的干涉條紋間距為d. 如果介質(zhì)在激發(fā)光的波長處有吸收，則會躍遷至激發(fā)態(tài)，形成激發(fā)態(tài)分子布居數(shù)光柵. 介質(zhì)分子通過無輻射弛豫從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)的過程中釋放出的熱能將會使干涉條紋的亮紋區(qū)域被瞬時加熱，從而在介質(zhì)中產(chǎn)生瞬態(tài)的熱光柵. 此后，熱擴(kuò)散作用將會驅(qū)動高溫區(qū)域(即干涉條紋的亮紋區(qū)域)的分子向低溫區(qū)域(即干涉條紋的暗紋區(qū)域)移動，導(dǎo)致介質(zhì)中某一確定位置處的密度發(fā)生周期性振蕩，密度的周期性變化對應(yīng)介質(zhì)中對向傳播的超聲波. 超聲波的波長即為干涉條紋間距d，頻率即為介質(zhì)密度振蕩的頻率F，與聲速v的關(guān)系為[5]

v=Fd.

(1)

圖1 光致瞬態(tài)光柵技術(shù)測量聲速的原理圖

密度的周期性變化會在介質(zhì)中形成周期性變化的折射率分布，即瞬態(tài)布拉格光柵，讓另一束光作為探測光經(jīng)過該光柵區(qū)域，則會被該瞬態(tài)光柵衍射，而且衍射光的強(qiáng)度發(fā)生周期性變化，其變化頻率即為介質(zhì)密度振蕩的頻率F.

2 光致瞬態(tài)光柵測量介質(zhì)中聲速的實(shí)驗(yàn)裝置

利用光致瞬態(tài)光柵測量液體中聲速的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，采用Ti∶Sapphire再生放大器(Spectra-physics, spitfire)輸出脈寬～130 fs、中心波長795 nm的光脈沖作為激發(fā)光，腔內(nèi)倍頻的Nd∶YLF激光器(Spectra-physics, evolution X)輸出脈寬～200 ns、波長527 nm的光脈沖作為探測光，2套激光系統(tǒng)用數(shù)字延遲發(fā)生器DG535實(shí)現(xiàn)同步. 被中性密度濾光片衰減的飛秒脈沖用長焦透鏡聚焦于柵距為Λ0的透射式光柵上，用焦距分別為f1和f2的消色差透鏡，與透射式光柵和樣品組成共焦成像系統(tǒng). 飛秒光脈沖的±1級衍射光在透射式光柵處分離，在樣品處相遇，自發(fā)地實(shí)現(xiàn)時間、空間重合，從而激發(fā)樣品中的瞬態(tài)光柵[6]. 與激發(fā)光類似，納秒探測光也用長焦透鏡聚焦于透射式光柵表面，其+1級或-1級衍射光經(jīng)過共焦系統(tǒng)在樣品處與激發(fā)光重合，并且被激發(fā)光形成的瞬態(tài)光柵衍射. 在消色差透鏡1和2之間放置帶孔的擋光板，只允許2束激發(fā)光和1束探測光通過. 探測光的衍射信號用透鏡收集進(jìn)入雪崩二極管，再用示波器觀測衍射強(qiáng)度的變化情況，在雪崩二極管之前用帶通濾光片濾除雜散光.

圖2 光致瞬態(tài)光柵測量聲速的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

選用的液態(tài)介質(zhì)為分析純的硝基苯和乙醇，分別從北京化工廠和國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司購買. 由于硝基苯和乙醇對于激發(fā)光是透明的，本文選用了激光染料IR780作為探測分子，將其溶解到硝基苯或者乙醇中，以增強(qiáng)激發(fā)光的吸收能力.

IR780-乙醇溶液的吸收光譜如圖3所示，從圖3中可以看出，樣品對中心波長795 nm激發(fā)光有很強(qiáng)的吸收，對527 nm的探測光則幾乎是透明的.

圖3 IR780-乙醇溶液的吸收光譜

3 光致瞬態(tài)光柵測量聲速的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4～5給出了常溫、常壓條件下IR780-硝基苯以及IR780-乙醇溶液中的聲速的測量結(jié)果. 從圖4中可以看出，瞬態(tài)光柵的衍射信號出現(xiàn)了明顯的振蕩，而且振蕩幅度逐漸減小，強(qiáng)烈的振蕩信號對應(yīng)的是溶液中的聲學(xué)振動，而振蕩幅度逐漸減小體現(xiàn)的是熱光柵的消退過程.

(a)IR780-硝基苯

(b)IR780-乙醇圖4 瞬態(tài)光柵衍射信號

(a)IR780-硝基苯

(b)IR780-乙醇圖5 傅里葉變換頻譜

圖2中的共焦成像系統(tǒng)放大倍數(shù)為M=f2/f1，像平面處光柵(即樣品中形成的瞬態(tài)光柵)的周期為d=MΛ0/2[6]，由(1)式可知，介質(zhì)中的聲速為v=FMΛ0/2. 使用的透射式光柵的柵距為Λ0=15 μm，f1=20 cm，f2=10 cm，因此，聲速為v=3.75×10-6F.

從圖5的傅里葉變換頻譜中得到IR780-硝基苯和IR780-乙醇溶液中激發(fā)的超聲波的頻率F分別為388 MHz和303 MHz，算出硝基苯和乙醇中的聲速分別為1 455 m/s和1 136 m/s，與文獻(xiàn)報道的聲速值1 461 m/s[7]和1 145 m/s[8]符合得很好.

4 結(jié)束語

介紹了利用光致瞬態(tài)光柵測量液態(tài)介質(zhì)中聲速的方法，觀測了硝基苯和乙醇中的聲速，測量結(jié)果與文獻(xiàn)報道結(jié)果符合得很好. 這種非接觸式的測量方法可以觀測高溫、高壓等極端條件下液態(tài)介質(zhì)中的聲速. 利用本文介紹的方法觀測液態(tài)介質(zhì)中的聲速，可以作為物理專業(yè)本科生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課的選題內(nèi)容.