聲致發光

聲致發光（sonoluminescence），是指當液體中的氣泡受到機械波的激發時，氣泡爆聚並迸發出極短暫的亮光的現象。機械波在液體中傳播時，在時空上產生壓力起伏，出現低於靜態壓力的負壓現象，在液體的負壓區域，液體中的結構 （空化核）會逐漸成長，形成肉眼可見的微米量級的氣泡，稱為空化。當空化的內部增大驅動壓時，空化泡內部的温度壓力繼續上升，會導致光的輻射，這就是上世紀發現的現象。 ^[1] 

科隆大學的H.Frenzel和H.Schultes於1934年在研究時首次觀察到這個現象。在其實驗過程中兩人希望加快相片顯影的過程，將一座機械波變換器置入注滿顯影劑的水槽中，事後卻在顯影后的底片上觀察到一些微小的亮點。同時每當機械波開啓時，液體中的氣泡便才會發出光來。早年的實驗中由於水下環境過於複雜，對於這些壽命（半衰期）極短暫的大量氣泡難以做進一步的分析（N.Marinesco和J.J.Trillat於1933年也曾獨立發現此現象）。此現象在現代通常也被稱為多氣泡。

圖1中為在水中一個波場導致氙發光，通過測試，閃光達到額波長約為100納米。通過改變波長。可以得到不同的顏色，從遠紫外到紅外。太陽是一個5800K的黑體，和這個光區間相比，此處的光環能起擁有更多的光波長。

Felipe Gaitan和Lawrence Crum在50多年後的1989年大幅改進了實驗裝置與技術，發現了單氣泡。在單氣泡中，一顆被限制在駐波中的氣泡會隨着自身週期性的被壓縮而不斷放出光來。由於這項實驗技術將原本複雜的多氣泡模型簡化為單一穩定氣泡的效應，故有助於更系統性地分析原理。研究人員同時也發現氣泡內部的温度竟然高到可以熔化鋼鐵的程度。根據估計與假設，氣泡內的温度可以高達100萬K，這也重新喚起了人們的好奇與興趣。雖然如此高的温度尚未被確實證明，但近年來由伊利諾伊大學香檳分校主導的實驗顯示，氣泡內的温度大約在2萬K左右。

單泡是一個轉換成光能的能量轉換過程，氣泡相當於一個“ 換能器” , 而換能元件是泡內的惰性氣體。單泡的研究也可以大致分為：單泡和發光兩部分。即形成穩定的單泡和發光的參數空間，單泡在波場激勵下的動力學特性以及發光機理。 ^[2] 

當一道足夠強度的機械波射入液體內的一小塊空腔時，會導致空腔急速地壓縮，這個空腔可能是普通的氣泡，或是因氣穴現象引發的微小的低壓氣泡。由於可以在實驗室中穩定地被呈現，產生出來的單一顆氣泡會在被壓縮和向外擴展的週期中，不斷放出光來。為了達到這個結果，首先在液體中製造出一駐波，且氣泡必須要置於駐波的波腹處，使其能受到最大的波幅。取決於容納液體容器的形狀與大小。

1）

以上的能量聚集度；

2）皮秒級的閃光；

3）閃光與波場高度同步；

4）對惰性氣體的依賴；

5）對實驗控制參量(強度、波長、水温、氣體溶解度等)的依賴；

6）發光過程伴隨機械波發射。 ^[3] 

放出光的波長是相當短的，其譜線可以到達接近紫外光的程度。由於短波長的光擁有較高的能量，經過計算，若欲產生如此高能量的光，氣泡中環境的温度大約要落在2萬~100萬K之間。但這種估計忽略了一項事實，即是水會吸收幾乎所有波長低於200nm的電磁波，這項事實也加深了正確估計氣泡內確切温度的困難，因為這些估計都是建立在氣泡被壓縮過程中的發射光譜上，或是利用Rayleigh-Plesset方程所得到的。甚至有人估計氣泡內的温度可以達到10^9 K，即有十億度之高，但這些看來有些誇大的估計皆建立於現階段尚未證實的模型，以及太多無法確定的假設上。

上圖2是UCLA組製成的，這個容器的尺寸僅僅一英寸，衝擊導致氣體的氣泡發出一微秒150W的發光，泡泡的內部温度是太陽表面温度的兩倍。

1） 氣泡釋放出來的光芒持續時間相當短暫──大約在35至幾百皮秒（ps）之間，光強大約在1~10毫瓦（mW）左右。

2） 當氣泡放光時尺寸是非常小的。其直徑大約只有1微米，而其能放出光的氣泡大小取決於周圍液體的種類（例如水）以及氣泡中氣體的種類（例如一般空氣）。

3） 在單氣泡中放出的光，其週期和位置都是相當穩定的。更有趣的是，雖然經過分析這些氣泡會受到例如柏克尼斯力（Bjerknes forces）或經歷瑞利-泰勒不穩定性等作用，導致氣泡會經歷顯著的幾何結構不穩定過程，但事實上我們觀察到這些氣泡放出光的波形，卻能比當初產生機械波的儀器還要穩定！

4） 如果在氣泡中加入惰性氣體，例如氦、氬或氙等氣體，能進一步增加放出光的強度。

當一個氣泡崩潰的時候，理論預計氣泡內部的氣體被擠壓得如此緊密，以至於它變得像明亮的恆星表面一樣熱。現在科學家使用了一項能夠測量單個氣泡崩潰時的温度的新技術，終於發現了情況確實如此。這種方法打開了一扇通向研究和開發核聚變系統的更簡潔道路的大門。

科學家很長時間以來猜測氣泡崩潰產生的劇烈壓力能夠導致極高的温度和形成等離子體——這是一種在星際空間和一些恆星大氣中的極熱氣體。為了研究這個過程，科學家專項研究現象。在這種現象中，當液體中的氣泡被機械波轟擊的時候，它們就會發出光。這項技術已經被用來研究不同液體中的氣泡雲。但是此前還沒有人能研究單個氣泡，因為氣泡產生的光實在太弱，無法測量。

為了增強信號，伊利諾伊大學Urbana-Champaign分校的化學家David Flannigan 和Kenneth Suslick製造了在硫磺酸中的氙和氬氣泡。然後，他們用機械波轟擊這些氣泡。氣泡發出的光是如此明亮，以至於可以在日光條件下用肉眼看到。

對這種光線的測量表明，一個崩潰的氣泡可以產生高達2萬開的温度——這是太陽表面温度的4倍。他們在本週的《自然》雜誌上報告説，這種超高温表明了氣泡內部存在等離子體。他們説，研究這樣的情況可能有助於研究利用強大的能源，例如核聚變。

“這是一個非常重要的結果，”西雅圖華盛頓大學工業和醫學機械波中心的主任Lawrence Crum説。他也是最早研究氣泡發光的科學家之一。“Suslick展示了一種研究等離子體形成的優雅而簡潔的方法，”他説。“在未來，這種技術可能提供一種有別於今天昂貴的核實驗室的新方法。