Оптоаку́стика (фотоакустика), раздел физической акустики, изучающий эффекты преобразования энергии оптического излучения в акустическую (звуковую) энергию при взаимодействии модулированного электромагнитного (в частности, светового) излучения с твёрдыми телами, жидкостями или газами. Оптоакустика также обобщает разнообразные практические приложения, основанные на использовании фотоакустических явлений.

Основными механизмами возникновения акустических волн под действием света являются квадратично-нелинейные по оптическому полю эффекты: электро- и магнитострикция, тепловой эффект, давление света. При действии мощного лазерного излучения на вещество появляются дополнительные, весьма эффективные механизмы генерации звука. Они связаны с возможными фазовыми переходами и, в частности, с изменением агрегатного состояния среды.

Эффект генерации акустических волн в замкнутом объёме газа под действием солнечного света, модулированного вращающимся перфорированным диском, обнаружен в 1880 г. А. Г. Беллом. Эффект получил название фотоакустического (оптоакустического) эффекта; для его наблюдения Белл использовал устройство, названное им спектрофоном. В 1881 г. это открытие было подтверждено в работах Дж. Тиндаля и В. К. Рентгена.

В 1962 г. Р. Уайт (США) и А. М. Прохоров с сотрудниками (независимо друг от друга) обнаружили эффективное возбуждение звука в конденсированной среде под действием лазерных импульсов. Лазерная техника и современные способы регистрации акустических сигналов открыли новые прикладные возможности для оптоакустики.

В приложениях оптоакустики наиболее востребованным механизмом лазерной генерации звука является тепловой эффект. Если интенсивность излучения модулирована, то в поглощающей среде возникают температурные волны. Нестационарный нагрев приводит к изменению плотности вещества и распространению акустических волн в среде, окружающей область поглощения света.

При тепловом эффекте амплитуда акустической волны в облучаемой среде определяется объёмной плотностью вложенной энергии, умноженной на т. н. параметр Грюнайзена ${Γ=\beta c^2/C_p}$, где $\beta$ – коэффициент объёмного теплового расширения, ${C_p}$ – теплоёмкость при постоянном давлении, ${c}$ – скорость распространения продольных акустических волн в среде.

Оптоакустическая спектроскопия

Методы спектроскопии, основанные на принципах оптоакустики, рассматриваются как разновидность калориметрической спектроскопии и широко применяются для исследования спектров поглощения света конденсированными и газообразными средами. Они также используются для обнаружения следовых концентраций примесей.

Оптоакустическая спектроскопия конденсированных сред.Оптоакустическая спектроскопия конденсированных сред.Оптоакустическая спектроскопия конденсированных сред использует т. н. оптоакустические ячейки разнообразных конструкций. Исследуемый образец облучается импульсным или непрерывным модулированным световым пучком (см. рисунок). Регистрация звука проводится непосредственно в образце (схема с прямой регистрацией) или в примыкающем к образцу газе (схема с косвенной регистрацией). При использовании современной лазерной техники метод прямой регистрации предполагает восстановление коэффициента поглощения света $\alpha$ по данным амплитуды импульсного давления в цилиндрической расходящейся акустической волне ${p=\alpha Г E/(\pi R^{3/2}r^{1/2})}$, где ${E}$ – энергия лазерного импульса, ${R}$ – радиус поперечного сечения светового пучка, ${r}$ – расстояние от оси пучка до приёмника звука. Схема отличается высокой чувствительностью, позволяя работать на уровне весьма малых значений $\alpha \,(\leq10^{–5} \,см^{–1})$. Имеется опыт успешного применения метода в прецизионной аналитической химии, например при детектировании следовых концентраций токсичных примесей в водных системах.

Схема с косвенной регистрацией допускает использование «нелазерных» источников звука, проста в реализации и применяется в спектроскопии непрозрачных или сильно рассеивающих сред (например, индустриальных жидкостей, порошков).

Оптоакустическая спектроскопия газов является признанным методом детектирования газообразных и конденсированных примесей в атмосфере с чувствительностью, существенно превышающей чувствительность других методов. Для генерации акустических волн в этом случае используется непрерывное модулированное по интенсивности излучение лазеров ближнего ИК-диапазона.

Оптоакустическая диагностика природных сред

Диагностика на принципах оптоакустики применяется в океанографии, геофизике и горном деле.

Оптоакустическая диагностика морской среды основана на дистанционной лазерной генерации мощного акустического импульса. При использовании лазерных импульсов ИК-диапазона в приповерхностном слое моря развиваются процессы абляции и взрывного вскипания. Возникает «бестелесный» излучатель акустического импульса большой амплитуды, достигающей ${0,1 \,МПа\,·м}$. Характеристики сигнала оказываются близки к свойствам локационных сигналов, излучаемых морскими млекопитающими. Это даёт возможность использовать системы обработки сигнала на принципах бионики. Регистрация прямого и отражённого акустических импульсов в море позволяет восстановить характеристики поверхностного ветрового волнения, исследовать состояние приповерхностного слоя, тонкую структуру дна и параметры донных отложений в шельфовых районах.

Оптоакустические измерения параметров горных пород с использованием сверхширокополосных УЗ-импульсов проводятся для получения данных о структурных особенностях и микротрещиноватостях минералов. При бурении на нефть и газ перспективен метод измерения анизотропии скорости звука в слоистых осадочных породах с помощью лазерной генерации акустического импульса на стенках скважины. Метод обеспечивает точные измерения скоростей распространения импульса по различным направлениям относительно слоёв породы.

Оптоакустическая диагностика в медицине

Принципы оптоакустики успешно применяются для визуализации процессов, новообразований и патологических состояний в живых тканях. В отличие от других методов визуализации в медицине, в оптоакустической визуализации контраст основывается на разнице оптического поглощения различными составляющими живой ткани. Это даёт возможность применять метод в условиях сильного рассеяния света. Метод успешно используется, например, при диагностике оксигенации гемоглобина в сосудах головного мозга, в практике раннего выявления опухолей в маммологии. Оптоакустическая визуализация применяется в фототермической молекулярной терапии, использующей прицельный нагрев введённых в больной орган золотых наночастиц. В этом методе предъявляются строгие требования к приёму и обработке акустического сигнала на частотах в десятки $МГц$. Для этих целей разрабатываются специальные миниатюрные многоканальные приёмники звука.

Методы оптоакустики применяются также в неразрушающем контроле материалов, при исследовании процессов рекомбинации и переноса зарядов в полупроводниках.