Hiệu ứng quang âm (Photoacoustic Effect)

Alexander Graham Bell đã phát hiện ra hiệu ứng này vào năm 1880 khi ông sử dụng “photophone” để giao tiếp không dây qua một chùm ánh sáng được điều biến. Mặc dù phát minh này không được sử dụng rộng rãi cho mục đích liên lạc, nhưng nó đã đặt nền móng cho sự phát triển của quang phổ học quang âm.

Cơ chế

Hiệu ứng quang âm dựa trên sự chuyển đổi năng lượng từ bức xạ điện từ sang năng lượng nhiệt, và sau đó sang năng lượng cơ học (sóng âm). Quá trình này có thể được mô tả theo các bước sau:

1. Hấp thụ: Vật liệu hấp thụ năng lượng từ bức xạ điện từ tới (thường là ánh sáng trong vùng nhìn thấy hoặc hồng ngoại). Sự hấp thụ này phụ thuộc vào hệ số hấp thụ của vật liệu ở bước sóng cụ thể đó.

2. Biến đổi năng lượng: Năng lượng điện từ được hấp thụ được chuyển đổi thành nhiệt, làm tăng nhiệt độ cục bộ của vật liệu. Quá trình chuyển đổi này có thể thông qua nhiều cơ chế khác nhau, bao gồm quá trình không bức xạ (non-radiative) của các electron bị kích thích.

3. Giãn nở nhiệt: Sự tăng nhiệt độ gây ra sự giãn nở nhiệt của vật liệu. Vì bức xạ tới được điều biến, sự giãn nở nhiệt cũng được điều biến theo cùng tần số. Cụ thể, sự thay đổi nhiệt độ $\Delta T$ có thể được mô tả bằng phương trình truyền nhiệt:

$ \rho C_p \frac{\partial (\Delta T)}{\partial t} – \nabla \cdot (k \nabla (\Delta T)) = Q $

trong đó:
* $ \rho $ là mật độ vật liệu.
* $C_p$ là nhiệt dung riêng ở áp suất không đổi.
* $k$ là độ dẫn nhiệt.
* $Q$ là nguồn nhiệt, tỉ lệ với cường độ ánh sáng hấp thụ và hệ số hấp thụ của vật liệu.

4. Phát sóng âm: Sự giãn nở và co lại theo chu kỳ của vật liệu tạo ra sóng áp suất (sóng âm) truyền qua vật liệu và môi trường xung quanh. Tần số của sóng âm bằng tần số điều biến của bức xạ tới. Biên độ của sóng âm, hay áp suất âm $p$, tỉ lệ thuận với sự thay đổi thể tích do giãn nở nhiệt, và có thể được mô tả bằng phương trình:

$ p = \Gamma \frac{\beta}{V} \int_V Q dV $
trong đó
* $\Gamma$ là hệ số Gruneisen, mô tả mối liên hệ giữa năng lượng nhiệt và áp suất.
* $\beta$ là hệ số giãn nở nhiệt thể tích
* $V$ là thể tích của mẫu vật liệu

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng quang âm

• Hệ số hấp thụ của vật liệu: Vật liệu có hệ số hấp thụ cao ở bước sóng cụ thể sẽ tạo ra tín hiệu quang âm mạnh hơn. Hệ số hấp thụ càng lớn, năng lượng ánh sáng bị hấp thụ càng nhiều, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ và giãn nở nhiệt lớn hơn.
• Cường độ bức xạ: Cường độ cao hơn của bức xạ tới dẫn đến tín hiệu quang âm mạnh hơn. Điều này là do năng lượng ánh sáng được hấp thụ tỉ lệ thuận với cường độ của bức xạ tới.
• Tần số điều biến: Tần số điều biến ảnh hưởng đến đặc tính của sóng âm được tạo ra (bước sóng và độ suy giảm). Tần số điều biến cao thường được sử dụng để tăng độ phân giải không gian trong tạo ảnh quang âm, trong khi tần số thấp hơn có thể xuyên sâu hơn vào vật liệu.
• Tính chất nhiệt của vật liệu: Độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu đều ảnh hưởng đến hiệu ứng quang âm. Các vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp có xu hướng tạo ra tín hiệu quang âm mạnh hơn do nhiệt độ cục bộ tăng cao hơn. Hệ số giãn nở nhiệt lớn cũng góp phần làm tăng biên độ sóng âm.
• Đặc tính của môi trường xung quanh: Môi trường truyền âm (ví dụ: không khí, nước) cũng ảnh hưởng đến sự lan truyền của sóng âm và do đó ảnh hưởng đến tín hiệu quang âm thu được.

Ứng dụng

Hiệu ứng quang âm có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

• Quang phổ học quang âm: Kỹ thuật này được sử dụng để nghiên cứu các tính chất quang học và nhiệt của vật liệu. Nó đặc biệt hữu ích để nghiên cứu các vật liệu mờ đục hoặc tán xạ mạnh, nơi các kỹ thuật quang phổ truyền thống khó áp dụng. Quang phổ quang âm có thể cung cấp thông tin về thành phần hóa học, cấu trúc và tính chất nhiệt của vật liệu.
• Tạo ảnh quang âm: Cho phép tạo ảnh cấu trúc bên trong của vật liệu bằng cách đo tín hiệu quang âm từ các vị trí khác nhau. Kỹ thuật này được sử dụng trong y sinh học để tạo ảnh các mô và cơ quan, đặc biệt là các mạch máu và khối u. Tạo ảnh quang âm có độ phân giải cao và độ tương phản tốt, cho phép quan sát các cấu trúc nhỏ ở độ sâu đáng kể trong mô sinh học.
• Giám sát môi trường: Hiệu ứng quang âm có thể được sử dụng để phát hiện và đo nồng độ của các chất ô nhiễm trong không khí và nước. Các cảm biến quang âm có độ nhạy cao và có thể phát hiện các chất ô nhiễm ở nồng độ rất thấp.
• Kiểm tra không phá hủy: Được sử dụng để phát hiện các khuyết tật (ví dụ: vết nứt, lỗ rỗng) trong vật liệu mà không làm hỏng chúng. Kỹ thuật này dựa trên sự thay đổi của tín hiệu quang âm khi có khuyết tật trong vật liệu.
• Phân tích thành phần vật liệu: Có thể dùng để xác định thành phần của mẫu dựa trên phổ hấp thụ quang âm, tương tự như các kĩ thuật phân tích quang phổ khác.

Công thức Liên Quan

Về mặt định lượng, mối quan hệ giữa các yếu tố và tín hiệu quang âm phức tạp hơn so với biểu diễn đơn giản. Tuy nhiên, một số công thức cơ bản có thể được đưa ra:

Áp suất của sóng âm $p(t)$ tại một điểm trong môi trường có thể liên hệ với nguồn nhiệt $Q(\textbf{r}, t)$ (công suất nhiệt trên một đơn vị thể tích) thông qua phương trình sóng âm:

$ \nabla^2 p(\textbf{r}, t) – \frac{1}{v^2}\frac{\partial^2 p(\textbf{r}, t)}{\partial t^2} = -\frac{\beta}{C_p}\frac{\partial Q(\textbf{r},t)}{\partial t} $

trong đó:

* $v$ là tốc độ âm thanh trong môi trường.
* $\beta$ là hệ số giãn nở nhiệt thể tích.
* $C_p$ là nhiệt dung riêng ở áp suất không đổi.

Nguồn nhiệt $Q(\textbf{r}, t)$ tỉ lệ với cường độ ánh sáng hấp thụ và hệ số hấp thụ: $Q(\textbf{r},t) = \alpha(\textbf{r})I(\textbf{r},t)$.

Trong trường hợp lý tưởng, khi một xung laser rất ngắn chiếu vào một mẫu đồng nhất, biên độ áp suất quang âm ban đầu $p_0$ tỉ lệ thuận với thông lượng năng lượng của laser $F_0$ (năng lượng trên một đơn vị diện tích), hệ số hấp thụ $\mu_a$, và hệ số Gruneisen $\Gamma$:

$p_0 = \Gamma \mu_a F_0$.

Hệ số Gruneisen: $\Gamma = \frac{\beta v^2}{C_p}$ đặc trưng cho hiệu suất chuyển đổi năng lượng nhiệt thành áp suất.

Các kỹ thuật đo lường quang âm

Có nhiều kỹ thuật khác nhau để đo tín hiệu quang âm, tùy thuộc vào loại mẫu và ứng dụng cụ thể. Một số kỹ thuật phổ biến bao gồm:

• Kỹ thuật microphone: Đây là kỹ thuật phổ biến nhất, sử dụng microphone nhạy để phát hiện sóng âm được tạo ra bởi mẫu. Mẫu được đặt trong một buồng kín và được chiếu sáng bằng nguồn sáng điều biến. Sóng âm được tạo ra làm thay đổi áp suất trong buồng, được microphone ghi lại. Kỹ thuật này thường được áp dụng cho các mẫu khí và lỏng, nhưng cũng có thể sử dụng cho mẫu rắn nếu được thiết kế phù hợp.
• Kỹ thuật áp điện (Piezoelectric): Trong kỹ thuật này, mẫu được gắn trực tiếp vào một cảm biến áp điện. Sự giãn nở nhiệt của mẫu gây ra ứng suất cơ học lên cảm biến, tạo ra tín hiệu điện tỉ lệ với tín hiệu quang âm. Kỹ thuật này thường được sử dụng cho các mẫu rắn, và có ưu điểm là độ nhạy cao và dải tần rộng.
• Kỹ thuật đầu dò lệch tia (Beam Deflection): Kỹ thuật này sử dụng một tia laser thứ cấp chiếu gần bề mặt mẫu. Khi sóng âm truyền qua khu vực chiếu tia laser, nó làm thay đổi chiết suất của môi trường, gây ra sự lệch hướng của tia laser. Sự lệch hướng này được đo bằng một cảm biến vị trí nhạy, cung cấp thông tin về tín hiệu quang âm.
• Kỹ thuật giao thoa kế: Kỹ thuật này sử dụng giao thoa kế để đo sự dịch chuyển bề mặt của mẫu do giãn nở nhiệt. Nó có độ nhạy cao và có thể được sử dụng để nghiên cứu các mẫu mỏng hoặc trong suốt. Giao thoa kế Michelson hoặc Fabry-Perot thường được sử dụng trong các hệ thống quang âm dựa trên giao thoa kế.

Quang phổ học quang âm Fourier Transform (FT-PAS)

Một kỹ thuật quang âm mạnh mẽ là quang phổ học quang âm biến đổi Fourier (FT-PAS). Thay vì sử dụng nguồn sáng đơn sắc được điều biến, FT-PAS sử dụng nguồn sáng đa sắc được điều biến bằng giao thoa kế Michelson. Giao thoa kế tạo ra một interferogram, chứa thông tin về tất cả các bước sóng trong chùm sáng. Tín hiệu quang âm được đo dưới dạng hàm của hiệu đường đi quang học trong giao thoa kế. Sau đó, biến đổi Fourier được sử dụng để chuyển interferogram thành phổ hấp thụ quang âm. FT-PAS cho phép thu thập nhanh chóng phổ quang âm trên một dải bước sóng rộng, và đặc biệt hữu ích cho việc phân tích các mẫu phức tạp.

Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật quang âm

• Ưu điểm:
  • Độ nhạy cao, đặc biệt đối với các mẫu mờ đục hoặc tán xạ mạnh.
  • Khả năng nghiên cứu cả mẫu rắn, lỏng và khí.
  • Cung cấp thông tin về cả tính chất quang học và nhiệt của vật liệu.
  • Không phá hủy mẫu (non-destructive).
  • Có thể thực hiện đo ở các độ sâu khác nhau trong mẫu (depth profiling).
• Nhược điểm:
  • Có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ môi trường xung quanh (ví dụ: rung động, âm thanh).
  • Việc phân tích dữ liệu có thể phức tạp trong một số trường hợp (ví dụ: mẫu không đồng nhất).
  • Đối với một số kỹ thuật, việc chuẩn bị mẫu có thể phức tạp.
  • Độ phân giải không gian thường bị giới hạn bởi bước sóng âm thanh, mặc dù có các kỹ thuật để cải thiện độ phân giải.

Tương lai của hiệu ứng quang âm

Nghiên cứu về hiệu ứng quang âm vẫn đang tiếp tục phát triển, với những tiến bộ trong cả kỹ thuật đo lường và ứng dụng. Các lĩnh vực nghiên cứu hứa hẹn bao gồm phát triển các hệ thống tạo ảnh quang âm có độ phân giải cao hơn (ví dụ: kính hiển vi quang âm), ứng dụng mới trong y sinh học (ví dụ: chẩn đoán và điều trị ung thư) và khoa học vật liệu (ví dụ: nghiên cứu vật liệu nano), và sử dụng hiệu ứng quang âm để nghiên cứu các quá trình động học nhanh (ví dụ: phản ứng hóa học, chuyển pha). Sự kết hợp giữa quang âm với các kỹ thuật khác (ví dụ: siêu âm, quang học) cũng đang được khám phá để tạo ra các phương pháp chẩn đoán và hình ảnh đa phương thức mạnh mẽ hơn.

• Rosencwaig, A. (1980). Photoacoustics and photoacoustic spectroscopy. Wiley.
• Tam, A. C. (1986). Reviews of Modern Physics, 58(2), 381.
• Bicanic, D. (Ed.). (2012). Photoacoustic and photothermal phenomena III. Springer Science & Business Media.
• Sigrist, M. W. (2014). Air monitoring by spectroscopic techniques. John Wiley & Sons.

Câu hỏi và Giải đáp

Hiệu ứng quang âm khác gì so với hiệu ứng quang điện?