聲致發(fā)光技術(shù)進展與應用前景

于 穎，石 鑫，劉 忱，王海鳳

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

引 言

在20世紀30年代，德國Cologene大學的Frenzel和Schultes[1]第一次報道了聲致發(fā)光現(xiàn)象。在進行聲吶實驗時，為了加快照片的顯影過程，他們在裝滿顯影劑的容器中放入了超聲換能器，發(fā)現(xiàn)顯影后的底片上有微小亮斑，并且每次打開超聲換能器都會伴隨亮斑的出現(xiàn)，這種現(xiàn)象當時被認為是由氣泡和液體摩擦放電所造成的。其實早在1894年，英國人Thorycroft和Barnaby[2]在檢查軍艦時，發(fā)現(xiàn)軍艦螺旋槳損壞嚴重，他們認為這是螺旋槳在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的氣泡與水壓相互作用所導致的，隨著軍艦行駛速度加快，螺旋槳的破損也更加嚴重。1917年，物理學家Rayleigh[3]對該現(xiàn)象進行了研究，他發(fā)現(xiàn)在不可壓縮的液體中，當空穴突然被壓縮時會產(chǎn)生大量的能量，這就是早期的空化現(xiàn)象，該現(xiàn)象為今后的聲致發(fā)光現(xiàn)象研究提供了理論基礎。空化現(xiàn)象可以概括為由于流動、聲波、降壓、電磁輻射等作用在液體中形成一個新的表面或者氣穴的現(xiàn)象。1933年Marinesco和Trillat[4]發(fā)現(xiàn)浸入水中的照相底片上會產(chǎn)生霧狀圖案，這其實也屬于聲致發(fā)光現(xiàn)象。從此以后人們對聲致發(fā)光進行了大量的研究。1937年Chamber研究了大約36種液體中物理參數(shù)與聲致發(fā)光光強的關系，并最終得出結(jié)論：聲致發(fā)光光強隨液體溫度的下降而上升[5]。早期的研究由于科技和設備的局限性并未有太多突破性的進展，利用大功率超聲換能器放入液體中而產(chǎn)生的聲致發(fā)光穩(wěn)定性極差，并且會產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡與氣泡之間發(fā)生相互作用，大部分氣泡存在時間極短，甚至瞬間消失。這種大量氣泡產(chǎn)生的聲致發(fā)光現(xiàn)象稱為多氣泡聲致發(fā)光(MBSL)，因為影響因素較多，這類研究進展相對較慢。

直至1989年，密西西比大學博士生Gaitan與其導師Crum[6-8]在研究中成功實現(xiàn)了單氣泡聲致發(fā)光(SBSL)，SBSL相對具有更高的穩(wěn)定性，并且其發(fā)光在時間上還具有周期性。從此聲致發(fā)光在物理界得到了更大的關注，人們開始預測在聲致發(fā)光的瞬間，泡內(nèi)溫度是否會達到百萬攝氏度，該原理與核聚變原理是否相同等問題。其實這種現(xiàn)象同樣存在于動物界中，槍蝦就是具有聲致發(fā)光能力的動物，但是由于光強太低，只能用探測器探測而人眼無法觀察。

2002年，Taleyarkhan等[9]提出了聲致熱核聚變實驗，這個理論當時受到很多人關注，但是因為這個實驗不能實現(xiàn)，所以并沒有被大眾接受。2005年，安宇等[10-12]綜合考慮了水蒸氣以及聲壓的非球形擾動對聲致發(fā)光不穩(wěn)定性的影響，在不穩(wěn)定相空間中得到了與物理實驗較吻合的聲壓上限。2018年，Pflieger等[13]采用聲致發(fā)光光譜和超聲化學活性相結(jié)合的方法，研究了連續(xù)氬氣流在溶液中的作用以及進氣管位置對水溶液高頻聲解的影響。他們觀察到，聲化學活性和聲致發(fā)光強度都不受氣體溶解度的控制。此外，進氣管位置的變化導致聲致發(fā)光強度和聲化學活性的相反效果，這是第一次報道聲致發(fā)光強度增加而聲化學活動減少的現(xiàn)象。他們初步認為這種現(xiàn)象可能與聲化學活躍氣泡群體中較大比例的聲致發(fā)光氣泡或每個氣泡排放的強烈程度有關。

國內(nèi)很多高校也在對聲致發(fā)光進行研究，如南京大學聲學研究所崔煒程、陳偉中等對單泡聲致發(fā)光做了大量研究。清華大學安宇、張文娟等對多氣泡聲致發(fā)光的穩(wěn)定性做了大量研究。

1 理論研究

目前人們對聲致發(fā)光理論的研究一般主要分為兩個方面：1) 氣泡發(fā)光機理；2) 聲致發(fā)光氣泡穩(wěn)定性。

1.1 氣泡聲致發(fā)光機理

最早提出的理論機制為激波導致的軔致輻射，該理論認為氣泡內(nèi)匯聚的激波使氣泡內(nèi)的壓強和溫度迅速升高，從而導致氣體分子電離為等離子體，其中自由電子的熱軔致輻射導致氣泡發(fā)光[14]。由理論可知，電子軔致輻射的波長取決于自由電子碰撞時的動能，等離子體中自由電子的動能是連續(xù)分布的，所以最終產(chǎn)生的光譜是連續(xù)光譜。隨著科技的發(fā)展以及人們的大量研究，目前得到較多認可的理論是電子軔致輻射機制。即氣泡在收縮過程中產(chǎn)生高溫引起氣體電離，電離電子受原子和離子的碰撞產(chǎn)生軔致輻射。該模型有效地解釋了氬氣泡發(fā)光脈沖寬度與波長無關的這個事實[15]。最近幾年人們發(fā)現(xiàn)水蒸氣效應對氣泡發(fā)光的影響也很大，不可忽略。這些理論在某種程度上是合理的，但卻又不能徹底地解釋實驗，更加完美的理論機制還有待人們進一步探索。

1.2 聲致發(fā)光氣泡穩(wěn)定性

氣泡的穩(wěn)定性分為形狀的穩(wěn)定性、擴散平衡的穩(wěn)定性和位置穩(wěn)定性。在研究過程中把水的含氣量、聲壓、環(huán)境半徑、水的靜壓和溫度等限制在一個較為狹小的空間中。在水的含氣量足夠小、聲壓盡可能大的情況下容易獲得較為穩(wěn)定的單泡聲致發(fā)光[16]。但是聲致發(fā)光的穩(wěn)定性還受液體屬性、液體溫度、環(huán)境壓力、驅(qū)動壓力、黏度等因素的影響。

2 單泡聲致發(fā)光進展

單氣泡聲致發(fā)光是一種獨特的現(xiàn)象。在一個足夠強的聲場的影響下，單個氣泡的非線性振蕩導致氣泡的猛烈崩塌，并產(chǎn)生一個持續(xù)時間為幾皮秒的光脈沖。單泡聲致發(fā)光輻射的標準光譜是一個無特征的連續(xù)譜，溫度為6 000～2×106K。在200～800 nm波段光譜與黑體輻射相擬合。靠近氣泡中心的區(qū)域由溫度大于106 K的等離子體的熱軔致輻射相擬合。單泡聲致發(fā)光的常用裝置如圖1所示[17]。壓電陶瓷將放大的簡諧振蕩信號轉(zhuǎn)換為聲波激發(fā)盛水燒瓶的共振模式，瓶子的中心為聲壓的波腹，氣泡在聲壓的作用下在該位置凹陷，在給定的聲壓范圍內(nèi)與聲波同步發(fā)光。

1985年Crum第一次看到了單泡聲致發(fā)光現(xiàn)象，但是其發(fā)光極其微弱。該設備產(chǎn)生穩(wěn)定懸浮的單個氣泡的方法是對水充分除氣。他們將帶有電壓的陶瓷片貼在圓柱筒兩端，實驗中陶瓷片可產(chǎn)生頻率為20～100 kHz的駐波，氣泡隨著聲波的頻率變化產(chǎn)生周期性的脈動。在氣泡塌縮的瞬間會發(fā)射寬度大概為100 ps的光脈沖。圖2所示為圓柱形諧振腔，中間的小亮點為氣泡聲致發(fā)光點。

圖1 單泡聲致發(fā)光常用裝置[17]Fig.1 Common device for single bubble sonoluminescence[17]

圖2 單泡聲致發(fā)光氣泡Fig.2 Single bubble sonoluminescent bubble

Didenkode等[18]發(fā)現(xiàn)有機液體中的部分單氣泡比水中的單氣泡亮度大一些。他們觀察到了有機溶液中單氣泡發(fā)光光譜。Young等[19]觀察到了水中單氣泡聲致發(fā)光線譜，該線譜為連續(xù)的，并測得了羥基在310 mm附近的線譜，人們逐漸認為單氣泡聲致發(fā)光和多氣泡聲致發(fā)光機理是相同的。為了進一步研究單泡聲致發(fā)光與液體屬性的關系，Taleyarkhan等[9]在磷酸、硫酸、甘油等溶液中進行了大量的實驗，在以上三種溶液中均觀察到了光強較大的單個聲致發(fā)光氣泡。他們在磷酸中采用水錘法得到了持續(xù)時間最久為30 min的單氣泡，且發(fā)光光子數(shù)可達到1012，這比在水中單氣泡發(fā)光光子數(shù)高了6個數(shù)量級。美國伊利諾伊大學Flannigan等[20-22]在85%濃度的濃硫酸中通入不同含量的稀有氣體，做了大量的實驗。實驗結(jié)果表明，同種濃硫酸不通稀有氣體比通入稀有氣體聲致發(fā)光氣泡的亮度高很多，最高甚至可以高3個數(shù)量級。他們在硫酸液體中同樣觀察到了線譜，聲壓越大，線譜越弱，當聲壓增大到 5.065×105～6.078×105Pa時，線譜將會消失。南京大學的崔煒程等[23]研究了不同聲壓下乙醇水溶液中單氣泡聲致發(fā)光。當乙醇濃度較低時，乙醇濃度增加，曲線往低聲壓方向漂移，驅(qū)動聲壓變化較大。聲壓相同時，單泡聲致發(fā)光的發(fā)光光強與乙醇濃度成正相關。當乙醇濃度較高時，驅(qū)動聲壓變小。聲壓相同時，增加乙醇濃度，單泡聲致發(fā)光光強降低。當乙醇達到一定濃度時，光強與聲壓曲線斜率隨乙醇濃度的降低而增加。

目前，人們對單泡聲致發(fā)光的研究主要側(cè)重于以下兩個方面：一是從光譜入手，通過分析光脈沖持續(xù)時間、發(fā)光譜線等建立各種各樣的理論模型，探索其發(fā)光原理以及能量轉(zhuǎn)換；二是從實驗中進一步確定影響單泡聲致發(fā)光的參數(shù)，如環(huán)境壓力、聲場大小、液體黏度等，通過與力學方程的結(jié)合來研究氣泡的力學特征。

3 多泡聲致發(fā)光進展

圖3所示為多泡聲致發(fā)光圖。多氣泡聲致發(fā)光和單氣泡聲致發(fā)光機理是相同的，多氣泡聲致發(fā)光和單氣泡聲致發(fā)光特點不同主要是因為氣泡的塌縮程度不同。從大量的實驗中可以看出，在超聲場中空化多氣泡分布并不是均勻的，而是會形成一些特殊的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，例如氣泡團、燈絲狀(或帶狀)以及其他的復雜結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)能穩(wěn)定形成的原因目前從理論上還不能解釋。相比單氣泡來說，多氣泡中每個氣泡壽命不同，氣泡數(shù)密度分布復雜，所以研究進展相對緩慢。針對多氣泡發(fā)光的復雜性問題，目前的研究主要關注以下兩個方面：一方面通過對發(fā)光光譜、光強的分析來研究其發(fā)光特點；另一方面通過改變外界參數(shù)來探究驅(qū)動聲壓頻率、強度以及液體相關參數(shù)等與發(fā)光光強的關系。

圖3 飽和有不同稀有氣體的85%濃硫酸的多泡聲致發(fā)光圖[20]Fig.3 Multi-bubble sonoluminescence of 85% sulfuric acid saturated with different rare gases[20]

在多泡聲致發(fā)光的研究中，Grieser等[24-25]報道了一系列關于各種表面活性溶質(zhì)對聲致發(fā)光強度影響的研究，他們認為聲致發(fā)光猝滅是熱泡核中分解產(chǎn)物的形成和積累所致。揮發(fā)性溶質(zhì)蒸發(fā)的結(jié)果表明，醇產(chǎn)物的平均空化氣泡溫度是由烴產(chǎn)物的產(chǎn)率決定的，它的溫度比泡沫破裂前的聲致發(fā)光溫度低幾千攝氏度。在大多數(shù)研究中，他們使用的均衡器頻率為356 kHz和515 kHz。Hayashi等[26]在Grieser的基礎上又做了大量的研究，將均衡器頻率分別控制在116 kHz和1 MHz的情況下，在含有適量乙醇和不含乙醇的Ar飽和水中進行實驗，他們發(fā)現(xiàn)，Ar飽和水的多泡聲致發(fā)光光譜表明OH自由基發(fā)射在相對較低的超聲功率下更容易觀察到，OH自由基在116 kHz的發(fā)射比1 MHz時更明顯。該結(jié)果表明，OH自由基發(fā)射的淬滅效果比連續(xù)譜更為有效，淬滅程度在兩個頻率上均表現(xiàn)出相似的濃度依賴關系，連續(xù)性表明隨著乙醇濃度的增加，氣泡溫度降低。

多泡聲致發(fā)光空化區(qū)域的空化模型主要包含瞬間空化和穩(wěn)定空化。瞬間空化存在時間極短，研究相對困難。清華大學安宇、張文娟等[27-28]針對穩(wěn)定空化模型研究計算發(fā)現(xiàn)，氣泡鏈形狀的穩(wěn)定區(qū)域比單氣泡的穩(wěn)定區(qū)域明顯大許多，特別是對于磷酸溶液，氣泡鏈的穩(wěn)定區(qū)域遠遠大于單氣泡，可看出相比于單氣泡，在氣體濃度更高的液體中多氣泡發(fā)光也可以發(fā)生。對于給定的驅(qū)動聲壓強度，根據(jù)形狀不穩(wěn)定性相圖及擴散平衡曲線可以確定何種氣泡比較容易形成氣泡鏈。Rosselló等[29]在硫酸水溶液中對聲發(fā)光氬氣泡簇的位置和空間穩(wěn)定性分別從理論和實驗角度進行了研究。他們利用氣泡簇的可控性來研究位置和空間氣泡的不穩(wěn)定性，并得出結(jié)論：聲壓場的低頻分量對構(gòu)成簇的氣泡的位置穩(wěn)定性有顯著影響，高階諧波(N≥9)的驅(qū)動高頻分量對位置穩(wěn)定性的影響可以忽略不計。

4 應用前景

作為聲學與光學的交叉學科，聲致發(fā)光展現(xiàn)出迷人的魅力，讓各界研究者給予了越來越多關注。然而目前人們對聲致發(fā)光的研究大多都停留在理論階段，盡管如此，人們對其眾多應用的設想還是充滿期待。在聲致發(fā)光過程中，如果氣泡內(nèi)溫度足夠高甚至滿足核聚變所需的溫度時[26]，聲致發(fā)光氣泡是否可以作為一種廉價的清潔能源？不同氣體和不同液體產(chǎn)生的聲致發(fā)光顏色有所不同，在未來的發(fā)展中聲致發(fā)光可否作為一種新型光源？單泡聲致發(fā)光周期精準規(guī)律，與驅(qū)動聲場頻率同步，是否可以用作窄脈沖光源或者計時器？氣泡聲致發(fā)光本質(zhì)上是一個極其復雜的現(xiàn)象，其背后隱藏的一系列物理秘密等待著人們?nèi)ヌ剿靼l(fā)現(xiàn)。