光の音を聞く - 光音響分光法におけるロックインアンプの応用

光が音を生み出すことをご存知ですか？

19 世紀後半、科学者アレクサンダー グラハム ベル (電話の発明者の一人と考えられている) は、光音響効果として知られる、材料が光エネルギーを吸収した後に音波を発生する現象を発見しました。

 

アレキサンダー・グラハム・ベル

画像出典：新浪テクノロジー

 

1960年代以降、微弱信号検出技術の発達により、高感度マイクや圧電セラミックマイクが登場しました。科学者たちは、光音響効果に基づいた新しい分光分析技術である光音響分光法を開発しました。これは、サンプルの物質とその分光学的熱特性の検出に使用でき、無機および有機化合物、半導体、金属、ポリマー材料の物理化学研究の強力なツールになります。 、など。

 

 

どうすれば光から音を生み出せるのでしょうか？

下図に示すように、モノクロメーターで変調された光源、またはパルスレーザーなどのパルス光が光音響セルに入射します。光音響セル内の測定対象物質は光エネルギーを吸収しますが、その吸収率は入射光の波長や材質によって異なります。これは、異なる材料を構成する原子分子のエネルギー準位が異なるためであり、入射光の周波数νがエネルギー準位hνに近づくと、材料による光の吸収率が増加します。光を吸収した後、より高いエネルギーレベルにジャンプした原子分子は、より高いエネルギーレベルに留まりません。代わりに、エネルギーを放出してリラックスして最も低い基底状態に戻る傾向があり、放出されたエネルギーは多くの場合熱エネルギーとして現れ、材料が熱膨張して体積が変化します。

たとえば、材料を光音響セルに詰め込むことによって材料の体積を制限すると、その膨張により圧力の変化が生じます。入射光の強度に周期的な変調を適用すると、材料の温度、体積、圧力も周期的に変化し、検出可能な機械波が生じます。この振動は、高感度マイクロフォンまたは圧電セラミックマイクロフォンによって検出でき、これを光音響信号と呼びます。

 

原理図

 

 

ロックインアンプはどのようにして光音響信号を測定するのでしょうか?

 

要約すると、光音響信号は、(原子または分子の緩和によって放出される) 非常に小さな熱から変換された、はるかに小さな圧力信号によって生成されます。このような極めて弱い信号の検出は、ロックインアンプなしでは必然的に実行できません。

 

光音響分光法では、マイクから収集した信号をプリアンプで増幅し、ロックインアンプで必要な周波数信号にロックする必要があります。このようにして、高い信号対雑音比の光音響分光信号を検出でき、サンプルの特性を測定できます。

 

CIQTEKは、量子精密測定分野における深い技術蓄積と優れた製品エンジニアリング能力に基づいて一連の微弱信号検出装置を発売しており、デジタルロックインアンプLIA001Mもその1つであり、研究において重要な役割を果たしています。光学、材料科学、量子技術、走査型プローブ顕微鏡、センサーなど。

 

 

CIQTEK ロックイン アンプ LIA001M は、高性能、多機能のデジタル ロックイン アンプです。高度なハードウェアとデジタル信号処理技術の設計に基づき、豊富なアナログ入出力インターフェイスを備え、ビジュアル ロックイン アンプ、仮想オシロスコープ、パラメータ スキャナ、信号発生器、PID コントローラ、その他の機能を 1 つに組み合わせて、科学的処理を効果的に簡素化します。ワークフローと機器への依存を軽減し、研究の効率と品質を向上させます。

 

 CIQTEK ロックインアンプ LIA001M