声致发光

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历史

由于对声纳的研究，声致发光效应是1934年在科隆大学首次发现的。H. Frenzel和H. Schultes将超声换能器放在照相显影液罐中。他们希望加快开发过程。相反，他们在显影后注意到胶片上的微小点，并意识到在超声波打开的情况下，流体中的气泡正在发光。由于复杂环境中存在大量短时气泡，因此很难在早期实验中分析其效果。现在将该现象称为多泡声致发光（MBSL）。
1960年，帝国理工Peter Jarman提出了最可靠的声致发光现象理论。他得出的结论是，声致发光基本上是热起源的，它可能是由空腔坍塌的微震引起的。
1989年，引入了一项实验性进展，产生了稳定的单气泡声致发光（SBSL）。在单泡声致发光，困在声驻波的单个气泡发光的与内气泡的每个压缩的脉冲驻波。这项技术可以对现象进行更系统的研究，因为它将复杂的影响分离为一个稳定的，可预测的气泡。人们已经意识到，气泡内部的温度足够高，足以熔化钢，正如2012年进行的一项实验所表明的那样；气泡破裂时的温度达到约12,000K。当假定这种气泡的内部温度远高于一百万K时，人们就重新对声致发光产生了兴趣。到目前为止，尚无定论。相反，最近的实验表明温度约为20,000 K（19,700°C; 35,500°F）
属性

通过将高强度超声喇叭浸入液体烧杯中产生的多气泡声致发光的长时间曝光图像。


当足够强度的声波在液体中引起气态腔快速塌陷时，就会发生声致发光。该空腔可以采用预先存在的气泡的形式，或者可以通过称为空化的过程产生。可以使实验室中的声致发光保持稳定，以便单个气泡以周期性的方式一次又一次地膨胀和塌陷，每次塌陷时都会发出一阵光。为发生这种情况，一个驻声波被设置内的液体，且气泡将坐于一个压力波腹的驻波的。的频率的谐振取决于在其中气泡被包含在容器的形状和大小。
有关声致发光的一些事实：从气泡闪烁的光持续35至几百皮秒，峰值强度约为1 –10 毫瓦。当气泡发光时，气泡非常小-直径大约1微米-取决于周围的流体（例如水）和气泡的气体含量（例如大气）。
单泡声致发光脉冲可以具有非常稳定的周期和位置。实际上，闪光灯的频率可能比使声波驱动振荡器的振荡器的额定频率稳定性更稳定。但是，气泡的稳定性分析表明，气泡本身经历了很大的几何不稳定性，例如由于Bjerknes力和瑞利-泰勒不稳定性。向气泡中的气体中添加少量稀有气体（例如氦气，氩气或氙气）会增加发射光的强度。光谱测量给出的气泡温度范围为 2300 K为5100 K，确切的温度​​取决于包括液体和气体成分在内的实验条件。由于液体对非常高温的短波长光不透明，因此通过光谱方法检测非常高的气泡温度受到限制。
一项研究描述了一种基于等离子体形成的确定温度的方法。使用硫酸中的氩气气泡，数据显示存在高能量激发态的离子化分子氧O 2 +，一氧化硫和原子氩，这证实了气泡具有热等离子体核的假设。他们观察到的双氧羰基阳离子的电离和激发能为18电子伏特。据此他们得出结论，核心温度至少达到20,000开尔文 –比表面温度高。
Rayleigh–Plesset方程

气泡运动的动力学特征是通过瑞利-普莱塞特方程的一阶近似特征：


这是一个从斯托克斯得出的近似方程，描述了气泡R的半径随时间t的变化。其中，μ是粘度，p压力，γ是表面张力。虚线表示时间导数。该方程虽然近似，但已被证明可以很好地估计气泡在声学条件下的运动。驱动场，除了在崩溃的最后阶段。模拟和实验测量均表明，在坍塌的关键最后阶段，气泡壁速度超过气泡内部气体的声速。因此，除了瑞利-普莱塞特，还需要对气泡运动进行更详细的分析，以探索内部形成的冲击波可能产生的额外能量聚焦。
现象机理




从左到右：气泡消失，缓慢膨胀，快速突然收缩，发光

2002年，M。Brenner，S。Hilgenfeldt和D. Lohse发表了长达60页的评论，其中对该机制进行了详细说明。一个重要因素是气泡主要包含惰性稀有气体，例如氩气或氙气（空气中约含1％的氩气，并且水中溶解的量太大；要发生声致发光，必须将浓度降低到20 –平衡值的40％）和不同量的水蒸气。在大约一百次膨胀-收缩循环之后，化学反应导致氮气和氧气从气泡中去除。然后气泡将开始发光。高压缩稀有气体的光发射在技术上得到了利用。氩气闪光设备。
在气泡破裂期间，周围水的惯性导致高压和高温，气泡内部达到约10,000开尔文，从而使存在的一小部分稀有气体电离。离子化的量小到足以使气泡保持透明，从而允许发出体积。表面发射会根据波长产生更长时间的更强光，这与实验结果相矛盾。来自离子化原子的电子主要与中性原子相互作用，从而引起热致辐射。当波击中低能波谷时，压力下降，使电子复合由于缺少自由电子，原子停止发光。这使氩气产生160皮秒的光脉冲（由于温度相对于光子能量而言较大的电离能量，即使温度小幅下降也会导致电离大幅度下降）。从上面的文献简化了该描述，该文献详细描述了持续时间从15微秒（扩展）到100皮秒（发射）的不同步骤。
基于本综述中提出的理论进行的计算得出的辐射参数（强度和持续时间与波长的关系）与实验结果相匹配，由于某些简化（例如，假设整个气泡的温度均匀），其误差不大于预期因此，尽管该过程的某些细节仍然不清楚，但似乎至少可以粗略地解释声致发光现象。
关于声致发光的任何讨论都必须包括对亚稳性的详细分析。在这方面，声致发光在物理上被称为有界现象，这意味着该声致发光存在于气泡的参数空间的有界区域中。耦合磁场就是这样一个参数。声致发光的磁性方面已得到充分证明。

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