光声效应在一个多世纪前被发现，并于1880年首次报道。这种效应包括两个步骤：(1)通过吸收调制光产生热量和(2)通过随后的热膨胀产生声音。它被认为是光谱研究中评价固体、液体和气体的一种灵敏技术。PA光谱已被广泛应用于化学检测、材料研究、生物医学成像等领域。
利用量子级联激光和超灵敏麦克风对爆炸物进行对峙光声探测（一）
早在几年，使用高功率中红外激光源（如CO2激光器或光学参量振荡器）进行化学检测已有报道。一项早期的研究，作者将其命名为光声探测和测距（PADAR），展示了利用PA效应对气体蒸气进行对峙探测和测距。近年来，对峙PA检测也应用于凝聚态介质和液体。利用光热效应对爆炸物进行对峙探测已有报道。该技术通过监测爆炸样品在CO2激光照射下的温升，实现了对峙检测。然而，在演示中，为了增加热对比度，避免焦平面阵列（FPA）的热饱和，将含有炸药的土样放置在平台上，并以天空为背景。在实际的现场操作中，地面或背景温度很容易使FPA饱和，从而难以区分温差。在另一项研究中，基于PA效应变化的对峙爆炸检测被报道为bbb。在那项研究中，石英音叉被用作中红外探测器，用于探测来自覆盖有爆炸性化学物质表面的反射光。该技术依靠良好的目标表面反射，为音叉振荡模式激发提供足够的返回中红外光子。同样，在实际的野外作业中，在目标地点可能无法获得接近完全垂直的反射平面。需要一个超高灵敏度的中红外探测器来检测弱后向散射信号，衰减率为1∕r2，其中r为检测距离。
另一方面，我们利用超灵敏的麦克风来检测目标样本直接产生的PA信号。我们的技术不依赖于中红外光反射或后向散射；因此，在目标位置附近的任何地方都不需要反射面。地温也不影响我们的测量结果。此外，由于声检测机制是测量压力波振幅，因此信号强度衰减与1∕r相关，而不是与1∕r2相关。声波测量具有1∕r的依赖关系，有利于延长探测距离。为了增强信号和抑制环境噪声，我们可以进一步使用声阵列波束形成技术。由于麦克风或麦克风阵列的成本可以比中红外fpa低得多，因此可以以相对较低的成本获得高性能的大型声学阵列。这里提出的PA对峙检测技术可以经济有效地实现并应用于大多数环境，没有许多限制或特殊要求，这与迄今为止演示的其他技术不同。
zui近，我们展示了使用中红外QCL和驻极体麦克风在室温和大气压下超过41英尺的气体蒸汽的直接僵局PA检测。由于三硝基甲苯（TNT）等爆炸性化学品的超低挥发性，本研究主要针对固体相TNT粉末进行研究。在这些方案中，当中红外QCL输出光聚焦在TNT样品上时，通过激光加热效应和固体样品与周围空气之间的热耦合产生声波。然后使用超灵敏的麦克风在距离外直接检测产生的PA信号。
凝聚态物质的声压检测理论可分为两类：(1)在凝聚态物质中产生热量，随后在周围空气中产生声音，由麦克风检测；(2)在凝聚态物质中产生热量和声波，由压电换能器检测声音。我们的研究属于第1种情况，固体TNT被入射的中红外QCL光加热，并在露天中产生声波并由麦克风检测。
在第1个场景中，关于PA信号的产生有两种综合影响。第1个过程涉及凝聚态物质的热膨胀和收缩，并随后将振动运动传递给周围的空气。二是从冷凝物到周围空气的周期性热流和随后的空气膨胀/收缩。然而，rosencwaaig和Gersho发现第1效应太小，PA波的主要来源是凝聚态物质向周围空气的反复换热。在他们的研究中，一个完整的模型，被称为Rosencwaig-Gersho理论，导出了从PA细胞中的固体生成PA的模型。扩声信号由入射光功率、材料吸收系数和扩声电池的几何形状决定。开放环境中的PA理论与PA单元中的PA理论不同，因为它不依赖于单元的几何形状。然而，Rosencwaig-Gersho理论也可以应用于开放环境PA理论的研究，但需要做一些修改。
后来，基于同样的理论，Harris等人研究了开放环境下PA对凝聚态物质的影响，得出PA信号与激光脉冲能量和逆探测距离[12]线性相关的结论。我们将省略PA信号的详细表达式，将研究中的简化表达式重写为：
式中B为比例常数，α为材料吸收系数，E为激光脉冲能量，R为探测距离。
本文将对脉冲激光激发固体物质PA信号的产生进行现象学描述。在我们的实验中，TNT样品以粉末形式放置在不吸收我们QCL波长的硅片上。总共1毫克TNT粉末均匀地散布在约1平方毫米的区域。在密度为1.654 g∕cm3的情况下，固体TNT桩的厚度约为L ~ 0.6 mm。
假设激光器在脉冲条件下工作，初始脉冲能量为E0。该材料在激光波长处的吸收系数为α。在上述假设条件下，忽略反射和散射，目标介质吸收的能量为
αL < 1时，大部分脉冲能量被吸收，Eabs≈E0；在αL≪1的情况下，吸收能量为Eabs≈αLE0。在我们的研究中，由于TNT样品的强中红外吸收和较厚的深度，大部分入射光被认为被吸收了。假设非辐射松弛在此过程中占主导地位；因此，大部分被吸收的能量转化为热能。在系统对环境不做功的情况下，单位体积内热力学能的变化量与系统温度的变化量成正比。因此，吸收的能量与目标介质中的温升
其中Cp是材料的比热，ρ是材料的密度，V是激光辐射照射的体积。
因此，我们计算了介质中的温升
介质中的温度升高会加热周围的空气，引起周围空气的温度升高，如ΔTair所示。
此外，周围空气温度的升高与固体样品温度的升高成正比ΔT。因此我们有
根据理想气体定律，周围空气中相应的压力变化与温度上升成正比，由
这里N是空气中每单位体积气体分子的数量，kB是玻尔兹曼常数。由于激光是在脉冲条件下调制的，周围的空气产生压力膨胀和收缩，从而产生声波。值得指出的是，在此过程中，由于热膨胀，入射光对样品的照度也会发生变化。然而，与热传递引起的温度变化相比，这种影响很小。
从上面的分析可以看出，表达式与之前的研究相似。脉冲激光诱导的PA信号强度与激光脉冲能量成正比。如前所述，随着声波的传播，信号强度随1∕r关系衰减；因此，扩音信号的距离测量与检测距离成反比。
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