基于光致瞬態光柵測量液體內的聲速

劉偉龍，黃 麗，楊慶鑫，楊延強，趙海發

(哈爾濱工業大學 物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

聲速是物理學、生物學、天文學以及海洋學等許多研究領域都需要的重要參量，能夠為探索介質內部微觀結構、分子運動和分子間相互作用等提供重要信息，因此對氣態、液態及固態介質中聲速的測量都具有重要意義. 在大學物理實驗中通常開設空氣中聲速測量[1-2]和聲光衍射方法測量液體中的聲速[3-4]等綜合性實驗，這些實驗普遍采用超聲換能器在介質中產生固定頻率的超聲波，再利用壓電效應或光柵衍射原理對超聲波的波長進行探測，通常需要將介質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光柵測量介質中聲速的方法，該方法具有非接觸測量的優點，可用于觀測高溫、高壓等極端條件下材料中的聲速.

1 光致瞬態光柵測量介質中聲速的原理

利用光致瞬態光柵技術測量介質中聲速的原理如圖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入射到介質中，當2個光脈沖實現時間、空間重合時，在介質中產生干涉，設其形成的干涉條紋間距為d. 如果介質在激發光的波長處有吸收，則會躍遷至激發態，形成激發態分子布居數光柵. 介質分子通過無輻射弛豫從激發態躍遷回基態的過程中釋放出的熱能將會使干涉條紋的亮紋區域被瞬時加熱，從而在介質中產生瞬態的熱光柵. 此后，熱擴散作用將會驅動高溫區域(即干涉條紋的亮紋區域)的分子向低溫區域(即干涉條紋的暗紋區域)移動，導致介質中某一確定位置處的密度發生周期性振蕩，密度的周期性變化對應介質中對向傳播的超聲波. 超聲波的波長即為干涉條紋間距d，頻率即為介質密度振蕩的頻率F，與聲速v的關系為[5]

v=Fd.

(1)

圖1 光致瞬態光柵技術測量聲速的原理圖

密度的周期性變化會在介質中形成周期性變化的折射率分布，即瞬態布拉格光柵，讓另一束光作為探測光經過該光柵區域，則會被該瞬態光柵衍射，而且衍射光的強度發生周期性變化，其變化頻率即為介質密度振蕩的頻率F.

2 光致瞬態光柵測量介質中聲速的實驗裝置

利用光致瞬態光柵測量液體中聲速的實驗裝置如圖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的光脈沖作為激發光，腔內倍頻的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套激光系統用數字延遲發生器DG535實現同步. 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. 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，自發地實現時間、空間重合，從而激發樣品中的瞬態光柵[6]. 與激發光類似，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級衍射光經過共焦系統在樣品處與激發光重合，并且被激發光形成的瞬態光柵衍射. 在消色差透鏡1和2之間放置帶孔的擋光板，只允許2束激發光和1束探測光通過. 探測光的衍射信號用透鏡收集進入雪崩二極管，再用示波器觀測衍射強度的變化情況，在雪崩二極管之前用帶通濾光片濾除雜散光.

圖2 光致瞬態光柵測量聲速的實驗裝置示意圖

選用的液態介質為分析純的硝基苯和乙醇，分別從北京化工廠和國藥集團化學試劑有限公司購買. 由于硝基苯和乙醇對于激發光是透明的，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，以增強激發光的吸收能力.

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激發光有很強的吸收，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 光致瞬態光柵測量聲速的實驗結果與分析

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果. 從圖4中可以看出，瞬態光柵的衍射信號出現了明顯的振蕩，而且振蕩幅度逐漸減小，強烈的振蕩信號對應的是溶液中的聲學振動，而振蕩幅度逐漸減小體現的是熱光柵的消退過程.

(a)IR780-硝基苯

(b)IR780-乙醇圖4 瞬態光柵衍射信號

(a)IR780-硝基苯

(b)IR780-乙醇圖5 傅里葉變換頻譜

圖2中的共焦成像系統放大倍數為M=f2/f1，像平面處光柵(即樣品中形成的瞬態光柵)的周期為d=MΛ0/2[6]，由(1)式可知，介質中的聲速為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，與文獻報道的聲速值1 461 m/s[7]和1 145 m/s[8]符合得很好.

4 結束語

介紹了利用光致瞬態光柵測量液態介質中聲速的方法，觀測了硝基苯和乙醇中的聲速，測量結果與文獻報道結果符合得很好. 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介質中的聲速. 利用本文介紹的方法觀測液態介質中的聲速，可以作為物理專業本科生創新實驗課的選題內容.