基于光致瞬态光栅测量液体内的声速

刘伟龙，黄 丽，杨庆鑫，杨延强，赵海发

(哈尔滨工业大学 物理系，黑龙江 哈尔滨 150001)

声速是物理学、生物学、天文学以及海洋学等许多研究领域都需要的重要参量，能够为探索介质内部微观结构、分子运动和分子间相互作用等提供重要信息，因此对气态、液态及固态介质中声速的测量都具有重要意义. 在大学物理实验中通常开设空气中声速测量[1-2]和声光衍射方法测量液体中的声速[3-4]等综合性实验，这些实验普遍采用超声换能器在介质中产生固定频率的超声波，再利用压电效应或光栅衍射原理对超声波的波长进行探测，通常需要将介质与超声换能器直接接触，属于接触式测量. 本文介绍基于光致瞬态光栅测量介质中声速的方法，该方法具有非接触测量的优点，可用于观测高温、高压等极端条件下材料中的声速.

1 光致瞬态光栅测量介质中声速的原理

利用光致瞬态光栅技术测量介质中声速的原理如图1所示[5]. 来自同一光源波长为λ的2个亚皮秒激光脉冲以夹角θ入射到介质中，当2个光脉冲实现时间、空间重合时，在介质中产生干涉，设其形成的干涉条纹间距为d. 如果介质在激发光的波长处有吸收，则会跃迁至激发态，形成激发态分子布居数光栅. 介质分子通过无辐射弛豫从激发态跃迁回基态的过程中释放出的热能将会使干涉条纹的亮纹区域被瞬时加热，从而在介质中产生瞬态的热光栅. 此后，热扩散作用将会驱动高温区域(即干涉条纹的亮纹区域)的分子向低温区域(即干涉条纹的暗纹区域)移动，导致介质中某一确定位置处的密度发生周期性振荡，密度的周期性变化对应介质中对向传播的超声波. 超声波的波长即为干涉条纹间距d，频率即为介质密度振荡的频率F，与声速v的关系为[5]

v=Fd.

(1)

图1 光致瞬态光栅技术测量声速的原理图

密度的周期性变化会在介质中形成周期性变化的折射率分布，即瞬态布拉格光栅，让另一束光作为探测光经过该光栅区域，则会被该瞬态光栅衍射，而且衍射光的强度发生周期性变化，其变化频率即为介质密度振荡的频率F.

2 光致瞬态光栅测量介质中声速的实验装置

利用光致瞬态光栅测量液体中声速的实验装置如图2所示，采用Ti∶Sapphire再生放大器(Spectra-physics, spitfire)输出脉宽～130 fs、中心波长795 nm的光脉冲作为激发光，腔内倍频的Nd∶YLF激光器(Spectra-physics, evolution X)输出脉宽～200 ns、波长527 nm的光脉冲作为探测光，2套激光系统用数字延迟发生器DG535实现同步. 被中性密度滤光片衰减的飞秒脉冲用长焦透镜聚焦于栅距为Λ0的透射式光栅上，用焦距分别为f1和f2的消色差透镜，与透射式光栅和样品组成共焦成像系统. 飞秒光脉冲的±1级衍射光在透射式光栅处分离，在样品处相遇，自发地实现时间、空间重合，从而激发样品中的瞬态光栅[6]. 与激发光类似，纳秒探测光也用长焦透镜聚焦于透射式光栅表面，其+1级或-1级衍射光经过共焦系统在样品处与激发光重合，并且被激发光形成的瞬态光栅衍射. 在消色差透镜1和2之间放置带孔的挡光板，只允许2束激发光和1束探测光通过. 探测光的衍射信号用透镜收集进入雪崩二极管，再用示波器观测衍射强度的变化情况，在雪崩二极管之前用带通滤光片滤除杂散光.

图2 光致瞬态光栅测量声速的实验装置示意图

选用的液态介质为分析纯的硝基苯和乙醇，分别从北京化工厂和国药集团化学试剂有限公司购买. 由于硝基苯和乙醇对于激发光是透明的，本文选用了激光染料IR780作为探测分子，将其溶解到硝基苯或者乙醇中，以增强激发光的吸收能力.

IR780-乙醇溶液的吸收光谱如图3所示，从图3中可以看出，样品对中心波长795 nm激发光有很强的吸收，对527 nm的探测光则几乎是透明的.

图3 IR780-乙醇溶液的吸收光谱

3 光致瞬态光栅测量声速的实验结果与分析

图4～5给出了常温、常压条件下IR780-硝基苯以及IR780-乙醇溶液中的声速的测量结果. 从图4中可以看出，瞬态光栅的衍射信号出现了明显的振荡，而且振荡幅度逐渐减小，强烈的振荡信号对应的是溶液中的声学振动，而振荡幅度逐渐减小体现的是热光栅的消退过程.

(a)IR780-硝基苯

(b)IR780-乙醇图4 瞬态光栅衍射信号

(a)IR780-硝基苯

(b)IR780-乙醇图5 傅里叶变换频谱

图2中的共焦成像系统放大倍数为M=f2/f1，像平面处光栅(即样品中形成的瞬态光栅)的周期为d=MΛ0/2[6]，由(1)式可知，介质中的声速为v=FMΛ0/2. 使用的透射式光栅的栅距为Λ0=15 μm，f1=20 cm，f2=10 cm，因此，声速为v=3.75×10-6F.

从图5的傅里叶变换频谱中得到IR780-硝基苯和IR780-乙醇溶液中激发的超声波的频率F分别为388 MHz和303 MHz，算出硝基苯和乙醇中的声速分别为1 455 m/s和1 136 m/s，与文献报道的声速值1 461 m/s[7]和1 145 m/s[8]符合得很好.

4 结束语

介绍了利用光致瞬态光栅测量液态介质中声速的方法，观测了硝基苯和乙醇中的声速，测量结果与文献报道结果符合得很好. 这种非接触式的测量方法可以观测高温、高压等极端条件下液态介质中的声速. 利用本文介绍的方法观测液态介质中的声速，可以作为物理专业本科生创新实验课的选题内容.