[科普中国]-声致发光

简介

声致发光（sonoluminescence），是指当液体中的气泡受到声音的激发时，气泡爆聚并迸发出极短暂的亮光的现象。声波在液体中传播时，在时空上产生压力起伏，出现低于静态压力的负压现象，在液体的负压区域，液体中的结构 （空化核）会逐渐成长，形成肉眼可见的微米量级的气泡，称为声空化。当声空化的内部增大驱动压时，空化泡内部的温度压力继续上升，会导致光的辐射，这就是上世纪发现的声致发光现象。1

分类多气泡声致发光科隆大学的H.Frenzel和H.Schultes于1934年在研究声纳时首次观察到声致发光。在其实验过程中两人希望加快相片显影的过程，将一座超声波变换器置入注满显影剂的水槽中，事后却在显影后的底片上观察到一些微小的亮点。同时每当超声波开启时，液体中的气泡便才会发出光来。早年的实验中由于水下环境过于复杂，对于这些寿命（半衰期）极短暂的大量气泡难以做进一步的分析（N.Marinesco和J.J.Trillat于1933年也曾独立发现此现象）。此现象在现代通常也被称为多气泡声致发光。

图中为在水中以1兆赫兹的频率去驱动一个声场导致氙声致发光，通过测试，闪光达到额波长约为100纳米。通过改变频率。可以得到不同的颜色，从远紫外到红外。太阳是一个5800K的黑体，和这个光区间相比，此处的光环能起拥有更多的光波长。

单气泡声致发光Felipe Gaitan和Lawrence Crum在50多年后的1989年大幅改进了实验装置与技术，发现了单气泡声致发光。在单气泡声致发光中，一颗被限制在声音的驻波中的气泡会随着自身周期性的被压缩而不断放出光来。由于这项实验技术将原本复杂的多气泡模型简化为单一稳定气泡的效应，故有助于更系统性地分析声光效应的原理。研究人员同时也发现气泡内部的温度竟然高到可以熔化钢铁的程度。根据估计与假设，气泡内的温度可以高达100万K，这也重新唤起了人们对声致发光的好奇与兴趣。虽然如此高的温度尚未被确实证明，但近年来由伊利诺伊大学香槟分校主导的实验显示，气泡内的温度大约在2万K左右。

单泡声致发光是一个声能转换成光能的能量转换过程，气泡相当于一个“ 换能器” , 而换能元件是泡内的惰性气体。单泡声致发光的研究也可以大致分为：单泡、声致和发光三部分。即形成稳定的单泡和发光的参数空间，单泡在声场激励下的动力学特性以及发光机理。2

基础特性当一道足够强度的声波射入液体内的一小块空腔时，会导致空腔急速地压缩，这个空腔可能是普通的气泡，或是因气穴现象引发的微小的低压气泡。由于声致发光可以在实验室中稳定地被呈现，产生出来的单一颗气泡会在被压缩和向外扩展的周期中，不断放出光来。为了达到这个结果，首先在液体中制造出一驻波，且气泡必须要置于驻波的波腹处，使其能受到最大的波幅震荡。其共振的频率取决于容纳液体容器的形状与大小。

1）以上的能量聚集度；

2）皮秒级的闪光；

3）闪光与超声场高度同步；

4）对惰性气体的依赖；

5）对实验控制参量(声压振幅、频率、水温、气体溶解度等)的依赖；

6）发光过程伴随声波发射。3

高温特性声致发光中放出光的波长是相当短的，其谱线可以到达接近紫外光的程度。由于短波长的光拥有较高的能量，经过计算，若欲产生如此高能量的光，气泡中环境的温度大约要落在2万~100万K之间。但这种估计忽略了一项事实，即是水会吸收几乎所有波长低于200nm的电磁波，这项事实也加深了正确估计气泡内确切温度的困难，因为这些估计都是建立在气泡被压缩过程中的发射光谱上，或是利用Rayleigh-Plesset方程所得到的。甚至有人估计气泡内的温度可以达到10^9 K，即有十亿度之高，但这些看来有些夸大的估计皆建立于现阶段尚未证实的模型，以及太多无法确定的假设上。

上图是UCLA组制成的，这个容器的尺寸仅仅一英寸，冲击导致气体的气泡发出一微秒150W的发光，泡泡的内部温度是太阳表面温度的两倍。

实验实验中观察到的事实1） 气泡释放出来的光芒持续时间相当短暂──大约在35至几百皮秒（ps）之间，光强大约在1~10毫瓦（mW）左右。

2） 当气泡放光时尺寸是非常小的。其直径大约只有1微米，而其能放出光的气泡大小取决于周围液体的种类（例如水）以及气泡中气体的种类（例如一般空气）。

3） 在单气泡声致发光中放出的光，其周期和位置都是相当稳定的。更有趣的是，虽然经过分析这些气泡会受到例如柏克尼斯力（Bjerknes forces）或经历瑞利-泰勒不稳定性等作用，导致气泡会经历显著的几何结构不稳定过程，但事实上我们观察到这些气泡放出光的频率，却能比当初产生声波的仪器的震荡频率还要稳定！

4） 如果在气泡中加入惰性气体，例如氦、氩或氙等气体，能进一步增加放出光的强度。

实验瞬间解释当一个气泡崩溃的时候，理论预计气泡内部的气体被挤压得如此紧密，以至于它变得像明亮的恒星表面一样热。现在科学家使用了一项能够测量单个气泡崩溃时的温度的新技术，终于发现了情况确实如此。这种方法打开了一扇通向研究和开发核聚变系统的更简洁道路的大门。

科学家很长时间以来猜测气泡崩溃产生的剧烈压力能够导致极高的温度和形成等离子体——这是一种在星际空间和一些恒星大气中的极热气体。为了研究这个过程，科学家专项研究声致发光现象。在这种现象中，当液体中的气泡被声波轰击的时候，它们就会发出光。这项技术已经被用来研究不同液体中的气泡云。但是此前还没有人能研究单个气泡，因为气泡产生的光实在太弱，无法测量。

为了增强信号，伊利诺伊大学Urbana-Champaign分校的化学家David Flannigan 和Kenneth Suslick制造了在硫磺酸中的氙和氩气泡。然后，他们用超声波轰击这些气泡。气泡发出的光是如此明亮，以至于可以在日光条件下用肉眼看到。

对这种光线的测量表明，一个崩溃的气泡可以产生高达2万开的温度——这是太阳表面温度的4倍。他们在本周的《自然》杂志上报告说，这种超高温表明了气泡内部存在等离子体。他们说，研究这样的情况可能有助于研究利用强大的能源，例如核聚变。

“这是一个非常重要的结果，”西雅图华盛顿大学工业和医学超声波中心的主任Lawrence Crum说。他也是最早研究气泡发光的科学家之一。“Suslick展示了一种研究等离子体形成的优雅而简洁的方法，”他说。“在未来，这种技术可能提供一种有别于今天昂贵的核实验室的新方法。