Оптико-акустический (ОА) эффект – генерация акустических волн в веществе в результате поглощения им оптического излучения – был обнаружен Беллом, Тиндалем и Рентгеном в 1880–1881 гг. Вскоре после открытия ОА-эффект был практически забыт, и лишь начиная с 1938 г. М.Л. Вейнгеров, проведя серию экспериментов, дал второе рождение этому эффекту и предложил использовать ОА-эффект для количественного и качественного анализов газовых смесей. В 1968 г. появилось сообщение о создании первого лазерного оптико-акустического спектрометра.

ОА-эффект лежит в основе метода оптико-акустической спектроскопии, которая начала развиваться на основе некогерентных источников излучения еще до изобретения лазеров.

Когда оптическое излучение находится в резонансе с колебательно-вращательным переходом в исследуемом молекулярном газе, процесс преобразования энергии излучения в электрический сигнал состоит из следующих последовательных этапов: возбуждение молекул газа; безызлучательная релаксация возбужденных молекул; нагрев газа; генерация импульса давления; вынужденные колебания мембраны микрофона; генерация электрического сигнала.

До появления лазеров ОА-метод широко использовали для количественного и качественного анализа газовых смесей с помощью газоанализаторов с тепловым источником излучения. Появление лазеров дало новые возможности для совершенствования методов лазерной спектроскопии.

Первичным процессом, определяющим преобразованием энергии лазерного излучения в электрический сигнал, является изменение населенности резонансных (с лазерным излучением) энергетических уровней в молекулах (электронных, колебательно-вращательных, вращательных – в зависимости от области спектра). Колебательно-возбужденные молекулы релаксируют со всех вращательных уровней в основное состояние со скоростью, определяемой наличием трех каналов релаксации – излучательного (радиационная релаксация с вероятностью w_R), безызлучательного за счет столкновений в объеме (гомогенная релаксация – вращательная и колебательно-поступательная с вероятностями соответственно безызлучательного за счет релаксации возбуждения на стенке ОА-ячейки (гетерогенная релаксация). Лишь часть колебательно-возбужденных молекул, определяемая вероятностью колебательно-вращательной релаксации, релаксирует с выделением тепла в объеме газа, что вызывает генерацию импульса давления в ячейке ОА-детектора. Точное решение задачи генерации акустического сигнала описывается системой двух уравнений – для отклонений температуры и давления в ячейке от их равновесных значений.

Импульс давления в ячейке ОАД приводит к изменению положения мембраны микрофона и затем к генерации электрического сигнала, снимаемого с детектора.
Уникальные свойства лазерного излучения (высокая спектральная плотность энергии, монохроматичность, возможность плавной перестройки длины волны излучения) позволили разработать детекторы, обладающие высокой чувствительностью и высоким спектральным разрешением. Применение лазерных источников излучения вносит существенные особенности в принципы построения и проектирования соответствующих измерительных схем и приборов.

Все лазерные оптико-акустические газоанализаторы построены по схеме прямого детектирования, в которой детектором поглощенной мощности является сам образец.

• малый объем и длина измерительной камеры представляют большие преимущества при исследовании нелинейных эффектов (спектроскопический эффект насыщения, многофотонное поглощение), требующих высокой плотности мощности по сечению лазерного пучка, поддержание постоянного высокого значения мощности на длинной оптической трассе невозможно, а в короткой ячейке ОА-детектора сравнительно легко можно получить интенсивности вплоть до оптического пробоя газа.

Основными недостатками газоанализаторов являются: чувствительность к вибрациям и акустическим помехам, а также зависимость чувствительности ОА-детектора от давления и типа исследуемого газа.

К числу принципиальных особенностей газоанализаторов следует отнести необходимость его калибровки для измерений абсолютных значений показателей поглощения (а значит, и концентраций) газов.

Очевидные преимущества ОА-метода в сочетании с использованием достаточно мощных непрерывных перестраиваемых по частоте лазеров делают его особенно привлекательным для решения задач, требующих измерения слабого поглощения излучения молекулярными газами. В первую очередь это касается задач газового анализа при малых и сверхмалых концентрациях молекул в среде.

Прибор предназначен для проведения оперативного газоанализа атмосферного воздуха методом оптико-акустической лазерной спектроскопии. Принцип действия газоанализатора основан на генерации акустических волн в воздухе при взаимодействии модулированного лазерного луча с молекулами газовой примеси, поглощающей лазерное излучение на заданной длине волны. Акустические волны преобразуются микрофоном в электрические сигналы, пропорциональные концентрации поглощающего газа. Перестраивая длину волны лазера и используя известные спектральные данные о коэффициентах поглощения различных газов, можно определить состав детектируемой газовой примеси. Отличительной особенностью данного газоанализатора является совмещение в единой конструкции перестраиваемого волноводного СО₂-лазера и прокачного оптико-акустического детектора дифференциального типа. Детектор располагается внутри лазерного резонатора и образует единую конструкцию с лазером. Благодаря этому уменьшаются потери на оптических элементах, повышается мощность внутри рабочего канала детектора и жесткость всей конструкции. В газоанализаторе используется автоматически перестраиваемый по линиям волноводный СО₂-лазер с высокочастотным (ВЧ) возбуждением, в котором импульсно-периодический режим генерации задается модуляцией мощности ВЧ-генератора, что дает возможность оптимизировать энергопотребление путем регулировки скважности импульсов возбуждения. В конструкции используемого детектора дифференциального типа имеется два резонансных акустических канала, в которых формируются противофазные акустические волны, что позволяет при введении соответствующей обработки свести к минимуму шумы при протекании воздуха через каналы. Данные особенности прибора являются уникальными и в совокупности обеспечивают предельно высокую для оптико-акустических устройств чувствительность детектирования, низкий уровень аппаратурных шумов и относительно малое общее энергопотребление. Газоанализатор способен регистрировать минимальные коэффициенты поглощения газовых примесей в атмосфере в потоке газа на уровне ~ 5 × 10^-10 см^-1 с высоким быстродействием, присущим оптическим методам газоанализа. Благодаря этим качествам, а также возможности перестройки длины волны лазерного излучения в области 9,3÷10,9 мкм газоанализатор позволяет проводить в реальном времени измерения малых концентраций атмосферных и антропогенных газов (на уровне 1 ppb и менее), таких как С₂Н₄, NH₃, O₃, C₆H₆, SO₂, SF₆, N₂O, CH₃F, CH₃Cl и т.д., включая пары ряда взрывчатых и отравляющих веществ (всего около 100 веществ). Указанные свойства позволяют применять прибор для контроля концентраций химических молекулярных соединений в атмосферном воздухе и технологических процессах, проводить анализ выдыхаемого воздуха с целью выявления различных заболеваний и т.д.