87、光束偏转光热光谱学：原理、仪器与应用

光束偏转光热光谱学：原理、仪器与应用

1. 引言

光热分析方法是一类利用材料吸收光时伴随的热释放来测量光学吸收的技术。光热光束偏转方法基于热光效应，即样品或相邻材料介质中的热释放会通过温度的微弱依赖关系改变样品（或相邻介质）的折射率。这种热诱导的折射率分布 $\Delta n(r, t)$ 可以用低功率探测激光束进行光学探测，该光束会受到折射率分布的偏转和可能的散焦等折射效应。

所有光热偏转光谱法（PDS）技术都有以下共同效应：
1. 对材料进行辐照；
2. 光吸收后非辐射衰变过程产生热；
3. 形成温度分布 $\Delta T(r, t)$；
4. 材料（或相邻介质）中形成成比例的折射率分布 $\Delta n(r, t)$；
5. 与折射率分布相交的探测（激光）光束发生偏转和衍射。

由于偏转测量对材料（或相邻介质）中的微小加热效应很敏感，这些方法可以检测材料中的痕量光学吸收。加热和检测发生的亚毫米长度尺度允许进行样品成像和/或微体积检测。通过使用时间和/或频率分辨检测方法，可以在小于 100 µm 的长度尺度上进行热和光学吸收深度剖析。

常见的光热偏转测量检测方案有三种，如下表所示：
|方案名称|描述|
| ---- | ---- |
|共线光热偏转光谱法（c - PDS）|将探测激光束与泵浦光束轴平行排列，但偏移十分之几毫米，用于痕量吸收检测，灵敏度与热透镜效应相当。|
|蜃景效应（n - PDS 和透射 n - PDS）|被辐照的样品与相邻检测介质（通常是流体）接触，热传导到流体中形成折射率梯度，使平行于样品表面但偏移的探测激光束发生偏转。|
|反射光热