Un Esperimento Dimostrativo di Fotoacustica

Abstract : in questo Post descriviamo un semplice esperimento avente lo scopo di evidenziare l’effetto fotoacustico. L’esperimento è alla portata di qualsiasi laboratorio scolastico ed utilizza materiali facilmente reperibili. La cella fotoacustica è costituita da una semplice provetta in plastica, chiusa ad una estremità da un microfono preamplificato e rivestita internamente su di un lato da un materiale assorbente. La sorgente luminosa è fornita da un laser a semiconduttore violetto (405nm) modulato per emettere brevi impulsi. Con un oscilloscopio si possono facilmente visualizzare gli impulsi di pressione acustica rivelati dal microfono, sincronizzati con gli impulsi di modulazione del laser.

Introduzione

L’effetto fotoacustico (PA) fu scoperto nel 1880 da Alexander Graham Bell. Ha osservato che quando un fascio di luce solare viene focalizzato su di un campione scuro e rapidamente interrotto con un disco rotante, viene prodotto un suono. L’effetto si basa sul rapido riscaldamento / raffreddamento che avviene in seguito all’assorbimento della luce, e sulla conseguente compressione / rarefazione dell’aria circostante.
In passato l’effetto PA è stato ampiamente applicato nei solidi con tecniche di spettroscopia al fine di misurare le proprietà dei materiali.
In anni recenti, l’effetto PA è stato studiato per scopi di imaging medicali. La PA è un processo fisico che si basa su brevi impulsi di luce inviati nel tessuto per fornire un feedback dettagliato sulla sua struttura (immagine a parte).
Il principale vantaggio di questo approccio è che il segnale PA è meno soggetto a scattering, migliorando così la profondità di penetrazione e la risoluzione spaziale al fine di ottenere, ad esempio, immagini dettagliate di nervi, vene e arterie (immagine di copertina).
(Ref. Music-of-light stethoscope: a demonstration of the photoacoustic effect Nikitichev et al)

Apparato Sperimentale

Il processo fisico dell’effetto fotoacustico è piuttosto semplice, le apparecchiature però possono essere molto sofisticate e costose. In questo post mostriamo invece come con l’utilizzo di semplici componenti, alla portata di un qualsiasi laboratorio scolastico, è possibile effettuare esperimenti dimostrativi che mettono in luce gli aspetti essenziale del fenomeno fotoacustico.

La cella è costituita da una semplice provetta in plastica con diametro esterno da 10mm e lunghezza da 40mm. Su di un lato interno della provetta è stato incollato un rettangolino di cartoncino nero. Le pareti della provetta sono abbastanza trasparenti, il cartoncino costituisce la superficie che ha lo scopo di assorbire la radiazione luminosa.
Il diametro della nostra cella si adatta bene alle dimensioni di un classico microfono ad elettrete, in questo modo, facendo una piccola pressione, si ottiene una cella cilindrica a tenuta, con un lato della parete trasparente, mentre l’altro è occupato da una superficie nera assorbente ed il cui tappo è costituito dal microfono, come mostrato nella immagine sotto.

La sorgente luminosa è costituita da un diodo laser da 10mW con emissione a 405nm, quindi al confine tra il visibile e l’ultravioletto. Parte del fascio viene riflessa/diffusa dalla parete di ingresso della provetta ma una parte considerevole attraversa comunque la parete e raggiunge la superficie interna assorbente. Il fascio è stato regolato in modo da essere focalizzato sullo strato di cartoncino nero assorbente interno.
Il laser viene alimentato da due batterie da 1,5V connesse in serie per produrre una tensione di pilotaggio di 3V. Con un semplice transistor bipolare è stato fatto un circuito per modulare ON-OFF la tensione di alimentazione del laser. Il segnale di modulazione viene prodotto da un generatore di segnali commerciale. Le immagini sotto mostrano l’apparecchiatura sperimentale.

Pilotare il laser con un semplice circuito di modulazione ON-OFF non permette di ottenere impulsi laser molto brevi. Il tracciato sotto mostra l’impulso di luce che si ottiene con un impulso di pilotaggio di 10msec. Questa durata limita la massima frequenza a circa 100Hz.

Nonostante la semplicità dell’apparato sperimentale si riesce ad ottenere facilmente l’effetto fotoacustico pilotando il laser con un treno di impulsi. I tracciati di oscilloscopio riportati sotto mostrano il segnale di modulazione in celeste ed in giallo il segnale ottenuto dal microfono.
La durata minima dell’impulso è di circa 10msec, aumentando la durata dell’impulso di pilotaggio del laser si nota la presenza di due picchi di pressione, uno positivo di compressione, in corrispondenza del fronte di salita, ed uno negativo di rarefazione in corrispondenza del fronte di discesa.

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