Ouvindo o Som da Luz - Aplicações de Amplificadores Lock-in em Espectroscopia Fotoacústica
Você sabia que a luz pode criar som? No final do século XIX, o cientista Alexander Graham Bell (considerado um dos inventores do telefone) descobriu o fenômeno dos materiais que produzem ondas sonoras após absorverem a energia luminosa, conhecido como efeito fotoacústico. Alexandre Graham Bell Fonte da imagem: Tecnologia Sina Após a década de 1960, com o desenvolvimento da tecnologia de detecção de sinais fracos, surgiram microfones altamente sensíveis e microfones cerâmicos piezoelétricos. Cientistas desenvolveram uma nova técnica de análise espectroscópica baseada no efeito fotoacústico - espectroscopia fotoacústica, que pode ser usada para detectar substâncias de amostras e suas propriedades térmicas espectroscópicas, tornando-se uma ferramenta poderosa para pesquisas físico-químicas em compostos inorgânicos e orgânicos, semicondutores, metais, materiais poliméricos , etc. Como podemos fazer a luz criar som? Conforme mostrado na figura abaixo, uma fonte de luz modulada por um monocromador, ou uma luz pulsada, como um laser pulsado, incide sobre uma célula fotoacústica. O material a ser medido na célula fotoacústica absorve energia luminosa, e a taxa de absorção varia com o comprimento de onda da luz incidente e do material. Isto se deve aos diferentes níveis de energia das moléculas atômicas constituídas nos diferentes materiais, e a taxa de absorção da luz pelo material aumenta quando a frequência ν da luz incidente está próxima do nível de energia hν. As moléculas atômicas que saltam para níveis de energia mais elevados após absorverem a luz não permanecem nos níveis de energia mais elevados; em vez disso, eles tendem a liberar energia e relaxar de volta ao estado fundamental mais baixo, onde a energia liberada geralmente aparece como energia térmica e faz com que o material se expanda termicamente e mude de volume. Quando restringimos o volume de um material, por exemplo, empacotando-o numa célula fotoacústica, a sua expansão provoca alterações na pressão. Após aplicar uma modulação periódica à intensidade da luz incidente, a temperatura, o volume e a pressão do material também mudam periodicamente, resultando em uma onda mecânica detectável. Essa oscilação pode ser detectada por um microfone sensível ou microfone cerâmico piezoelétrico, que é o que chamamos de sinal fotoacústico. Princípio Esquemático Como um amplificador lock-in mede sinais fotoacústicos? Em resumo, o sinal fotoacústico é gerado por um sinal de pressão muito menor convertido a partir de calor muito pequeno (liberado por relaxamento atômico ou molecular). A detecção de tais sinais extremamente fracos não pode necessariamente ser feita sem amplificadores lock-in. Na espectroscopia fotoacústica, o sinal coletado do microfone precisa ser amplificado por um pré-amplificador e então travado no sinal de frequência que precisamos por um amplificador lock-in. Desta forma, um sinal de espectroscopia fotoacústica de alta...
