什么是光热光谱学（Photothermal Spectroscopy）？
发布时间：2023-02-15 08:00:00 阅读数： 635
一种被称为光热光谱的光学分析技术是研究暴露在辐射下的样品中因吸收光线而产生的热量的有力工具。
在传统的光谱方法中，通过测量样品透射、反射或发射的光量来收集信息。光热光谱法是通过检测非辐射松弛产生的热量来收集光谱数据的。
由于光热效应的普遍性，光热光谱在化学、物理学、生物学和工程学方面有多种用途，这与几乎所有的光学吸收后的热演化相似。
当一个样品被激光束加热时，会产生一个热波，并从被加热的区域移开。在材料中，随着与被加热表面的距离而被抑制并呈指数衰减的温度振荡被称为热波。研究热波的传播动力学和其他参数可以提供关于样品来源和结构的有用信息。热分析可以用几种不同的光谱方法来进行。一些广泛使用的技术总结如下。
光声光谱法
光声光谱技术是基于声波的基本原理。在一个专门的单元中，一个样品被放置在分析中，并被引入调制的激光照射，从而加热该材料。由于释放的热量被转移到细胞内的气体介质中，声学细胞内的压力会周期性地波动。一个非常敏感的声学检测器被集成在细胞内，记录声波。
最近已经开发了可以检测空气中压力变化的开放式光声系统。这些系统是远程检测固体表面区域的化学物质的有前途的工具。这些系统中的敏感元件是一个石英音叉。
光热偏转光谱学
在光热偏转光谱学中，样品的表面被一束经调制的激光加热。接触到样品的介质表层被光束周期性地加热。探针光束偏离平行于样品表面的平面，由一个位置敏感的光电探测器检测，揭示了表面介质中温度梯度的发展以及其折射率的相应变化。
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材料的光吸收系数、热导率、温度和电特性都是常用的测量方法。
热透镜光谱学
在热透镜光谱学中，当吸收介质暴露在具有高斯强度分布的辐射下时，温度梯度被非均匀加热所激活。根据激光束的强度分布，温度的变化会影响介质折射率的变化。由于折射率的变化而产生的作为散射透镜的光学元件，被称为热透镜。
热透镜经常被散射，因为大多数具有透明性的材料随着温度的升高会失去折射率；因此，横向激光束的尺寸会由于介质的加热而扩大。
热透镜方法经常被用于非线性光谱学、微量材料的分析、化学反应的动力学，以及固体和液体中弱吸收的测量。
光热辐射光谱学
一种主动减少被调查样品周围的外部物体的背景辐射影响的方法是光热辐射仪。在光热辐射测量法中，样品在测量时受到连续波激光辐射。由于对激光能量的部分吸收和由此产生的热量释放，样品表面温度和测量的热通量在脉冲重复频率下被调制。在测量所记录的热信号的时间依赖性及其相位的动态成分后，可以获得物体的各种物理特性的信息。
光热辐射测量法被用来评估薄膜、表面层和块状材料的低吸收。这种技术被用于热波显微镜、热成像和远程光谱分析，以研究材料和涂层的表面，并调查半导体材料的电子特性和结构。
光热干涉光谱学
为了测量透明介质中的微弱吸收，光热干涉仪因其高灵敏度而获得了很多人的青睐。
正如在热透镜一节中提到的，被照射介质的折射率的变化会使穿过它的辐射波发生相位变化。干涉法，即在干涉仪的一个臂中插入介质，是检测相位变化的最敏感方法。与偏转和热透镜程序相比，相位检测方法提供了更多的灵敏度。
展望
上面总结的用于研究光诱导吸收的光谱依赖性的光热光谱技术证明了它们对于分析薄膜、表面层和大宗材料的缺陷结构的有效性。这对于推进制造工艺和保持所生产材料的质量至关重要。
用于无损材料诊断的光热技术的发展及其实施所需的硬件正在不断推进。光热技术在半导体行业的成功应用以及基于PCI的光热测量系统的建立，正在扩大光热光谱学在该行业的应用。
扩展阅读
lia M. Pavlovetc, Eduard A. Podshivaylov, Rusha Chatterjee, Gregory V. Hartland, Pavel A. Frantsuzov, and Masaru Kuno , "Infrared photothermal heterodyne imaging: Contrast mechanism and detection limits", Journal of Applied Physics 127, 165101 (2020)https://doi.org/10.1063/1.5142277
L A Skvortso. Laser photothermal spectroscopy of light-induced absorption. 2013. Quantum Electron. 43 1 DOI 10.1070/QE2013v043n01ABEH014912
S. Bialkowski : “Photothermal Spectroscopy Methods for Chemical Analysis” Volume 134 Chemical Analysis: A Series of Monographs on Analytical Chemistry and Its Applications, , J. D. Winefordner, Series Editor, John Wiley & Sons, Inc. 1996
作者：Ilamaran Sivarajah
