光在科學史中無所不在。其本質中粒子與波動性所展現的各種現象，以及其本身對人類生活的重要性，使得光本身一直是個極好的研究課題。除了探究其本身，光與物質的交互作用更是包羅萬象。科學家以獨特的思維利用了這些特殊的現象，造就無數令任讚嘆的科技。
而今天筆者想與各位談論的是光聲效應(photoacoustic effect)。
貝爺帥氣展示實驗。圖片來源：http://odedc.net/photophone
西元1880年，Alexander Graham Bell展示了光線電話(photophone)實驗，這個特別的發明利用輸出端聲音的震動，影響光線的行進(影響光訊號)，接收端則是由太陽電池構成，將光訊號轉回電訊號。對於通訊這固然是個重要的實驗，但除此之外Bell發現到除了由電路解調出來的電訊號可以傳出我們原本想傳輸的聲音(這個部分我們之後再寫一期文章為大家講解)之外，這個接收端的光電池材料竟然自己本身也會隨著光的強弱規律變化發出聲波。隨後他與夥伴們徹底研究了該效應，發現除了固體，液體與氣體中也可能出現這種「光聲」訊號。
當光線照射至物體上，勢必有能量的輸入。而若是光波週期性地傳至物體造成局部加熱，這些能量會加熱周圍空氣，此時便可能形成超聲波。原本最初是在太陽光下觀測到的現象，隨著時代演變，現在在大部分的實驗中都採用雷射光作為加熱的光源，如下圖所示：
那這個效應對人類有甚麼用呢？今天我們先來討論其中的光聲光譜與成像。
(一)光聲譜(Photoacoustic spectrum)
特定的物質便會有特定的吸收光譜，我們只要分別測量光源本身的光譜，以及樣品之後的光譜，變能夠得到該物質吸收了哪些波長的光波，進而鑑定未知的物質。然而觀測吸收光譜時，必然會有反射、散射光的影響等問題。
光聲譜法，其意義就是當我們用特定波長的光去照射樣本時，吸收得越多，其超聲波訊號也越強。這樣一來，我們可以直接測得該物質在該波長「吸收得強不強」，也就是得到了光譜，而不需要處理反射干涉散射雜訊的光訊號。
雖然當初光聲效應是在固體中先被發現，但是對於氣體探測的光譜學應用卻是三態中最早成熟的。Kreuzer在1971發表了利用雷射光探測氣體分子光譜的文章後，這樣的技術便被廣為利用在各領域的氣體探測中。時至今日，科學家能夠以此技術探測到相當低濃度的氣體。
而對於固體材料的光聲譜學，因為缺乏強力的光源以及收音設備而有其侷限性，一直被科學界所忽視。直到Rosencwaig於1973年也展示了固體上的光聲譜，才開始又有了各種在生醫(例如乾燥蛋白質、生物樣本的光譜)或農業甚至食品工業等方面的應用。光聲譜所能調查的樣品更加多樣，因此也成為近十年來熱門的研究主題。
光聲效應的另一項重要應用是生物醫學上的光聲成像。簡單來說，就是利用雷射脈衝，或是無線電波和微波，打出光聲效應的超聲波。而藉由超聲波接收器，結合各種重構的演算法，便可以幫助我們重構波源的光吸收，進而回推我們所要探測的一些結構或生理資訊。
利用血紅素作為contrast的鼠腦影像。由光聲成像領域大師汪立宏的團隊所做出。
那麼這個方法與現在與同學們去婦產科常看到的超聲波有甚麼不同呢？光聲成像適用的時候是指探測的組織或物質，其光訊號吸收對比度很高。例如：血紅蛋白與脫氧血紅蛋白之間吸收光譜的差異，在特定波長會比較大，因此吸收的對比度很高。這樣一來超聲波的訊號差異就比較明顯。而超聲波則是純粹利用不同組織的聲波訊號吸收反射的差異，也就是說兩者適用的身體組織、部位不同。例如：光聲效應可以探測血紅素的攜氧及運動，超聲波可以探測腹腔內的器官狀態。
另外，比起超聲波，光聲訊號有兩項優勢：
1. 斑點雜訊的減少，超聲波影像所測量的是超聲波的後向散射，而且是同調性的成像。換句 話說，就是對「相位」很敏感。因此由於散射的隨機性，使得超音波影像有一個固有的雜訊。這個雜訊並不是由外來訊號影響，而是因隨機性而無可避免的結果。
2. 音波速差異的容忍度較高：儘管音波速差異仍然限制了光聲成像本身，但相較於超聲波裝置，光聲訊號通常是單向傳至接收器的，這使得其聲速差異造成的時間差異較小。
自光聲效應發現以來的應用發展史中，在工程面偶爾會面臨瓶頸，但隨著雷射的發明，收音設備的完善，以及電腦運算資源的協助，科學家們又為這個現象增添更多應用上的可能性。因此，光聲效應的各種應用仍然是現今光學研究的重要領域。
參考資料：
[1]A. Rosencwaig(1973)Photoacoustic spectroscopy of solids, Optics Communications,Volume 7, Issue 4
[2]Minghua Xu, and Lihong V. Wang(2006) Photoacoustic imaging in biomedicine Rev. Sci. Instrum. 77, 041101
[3] Jingsong Li , Weidong Chen & Benli Yu (2011) Recent Progress on Infraredhttps://doi.org/10.1063/1.2195024 Recent Progress on Infrared Photoacoustic
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[4]Kockanat, Serdar & Karaboga, Nurhan. (2015). A novel 2D-ABC adaptive filter algorithm: A comparative study. Digital Signal Processing. 40. 10.1016/j.dsp.2015.02.010.
[5]Palzer S.(2020)Photoacoustic-Based Gas Sensing: A Review. Sensors (Basel).;20(9):2745.
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