基于光纖的動態(tài)光散射理論及其實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究.pdf

1、動態(tài)光散射(DLS)技術(shù),又稱光子相關(guān)譜(PCS)技術(shù),是探測大分子、亞微米及納米微粒在液體中動態(tài)行為的最有效的方法之一;它是通過測量散射微粒產(chǎn)生的散射光的微小頻移和角度依賴性獲取微粒的流體力學(xué)半徑和粒度分布的.隨著現(xiàn)代科學(xué)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,該技術(shù)廣泛應(yīng)用于建材、冶金、化工、輕工、食品、醫(yī)藥、機(jī)械、地質(zhì)、石油、環(huán)保等涉及到探測微細(xì)顆粒動態(tài)特性的工業(yè)中.由于傳統(tǒng)的動態(tài)光散射系統(tǒng)體積大,易受外界因素干擾,探測樣品濃度低,不能應(yīng)用于工業(yè)在線測量等

2、因素,嚴(yán)重制約了動態(tài)光散射技術(shù)的應(yīng)用范圍.將光纖利用于該領(lǐng)域,使得小型、便攜、穩(wěn)定及在線式動態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成為可能.目前,國外尤其是美國,在這個領(lǐng)域非常先進(jìn),無論是傳統(tǒng)式動態(tài)光散射系統(tǒng)還是光纖式動態(tài)光散射系統(tǒng)都已經(jīng)開發(fā)出商品化儀器;而國內(nèi)對光纖式動態(tài)光散射理論、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究基本還是初級階段.本論文的主要工作就是在分析光纖式動態(tài)光散射理論的基礎(chǔ)上搭建了幾種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并將其用于微粒粒徑的測量當(dāng)中;為開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的、

3、低成本、實(shí)用化、可用于在線檢測的微型動態(tài)光散射儀器做了一些理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面的基礎(chǔ)性工作. 論文首先分析目前國內(nèi)外動態(tài)光散射研究的狀態(tài),提出了本論文所研究的任務(wù),介紹了動態(tài)光散射(特別是光纖式動態(tài)光散射)技術(shù)的發(fā)展.接著詳細(xì)介紹了動態(tài)光散射的測量原理,包括信號產(chǎn)生原理和檢測原理;通過對自相關(guān)曲線進(jìn)行定量分析,得出了自相關(guān)曲線與顆粒粒徑之間的關(guān)系,這有助于對實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性進(jìn)行分析.緊接著分析了目前常用的各種反演算法,并且探討

4、了每一種算法的適用范圍. 介紹了傳統(tǒng)動態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)造,詳細(xì)分析了各組成部分的功能和選取原則,并指出了這樣的系統(tǒng)存在的缺陷.利用米散射理論從電偶極子輻射的角度詳細(xì)探討了入射光的偏振狀態(tài)對散射光偏振狀態(tài)的影響,明確解釋了在動態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)中使用垂直偏振光的原因.討論了動態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)中空間相干性的概念和作用,首次提出了散射光接收器的統(tǒng)一設(shè)計原則和性能判據(jù),利用這條原則和判據(jù)分析了目前幾種比較常用的傳統(tǒng)散射光接收器的性能優(yōu)劣,并在

5、實(shí)際實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了該原則判據(jù)的正確性. 詳細(xì)分析了多模光纖和單模光纖在動態(tài)光散射中使用的優(yōu)缺點(diǎn),指出了單模光纖更適合于動態(tài)光散射系統(tǒng),但其耦合比較困難.接著對光纖式動態(tài)光散射系統(tǒng)的空間相干性進(jìn)行了分析,分析了光纖的數(shù)值孔徑與纖芯直徑對散射光信躁比的影響,發(fā)現(xiàn)利用單模光纖搭建的系統(tǒng)要比多模光纖的系統(tǒng)空間相干性高一個數(shù)量級.爾后,首先基于兩根規(guī)格相同的多模光纖搭建了第一套光纖式動態(tài)光散射系統(tǒng),用其分別測量了含有標(biāo)準(zhǔn)直徑分別為60nm、

6、200nm和300nm聚苯乙烯球形顆粒的三種單分散性稀溶液以及60nm與200nm和60nm與300nto聚苯乙烯球形顆粒的兩種混合懸浮液,并得出了理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;利用該系統(tǒng)測量了濃度(體積分?jǐn)?shù))分別約為0.1﹪、1﹪、3﹪、5﹪、6﹪、的五種200-nm標(biāo)準(zhǔn)聚苯乙烯乳膠球形懸浮液,探討了該系統(tǒng)所能探測樣品濃度的范圍.其次搭建了基于多模光纖傳輸和單模光纖接收的第二套光纖式動念光散射系統(tǒng),并用其測量了三種分別含有標(biāo)準(zhǔn)直徑為60nm、200

7、nm和300nm的高濃度的標(biāo)準(zhǔn)聚苯乙烯乳膠球顆粒的懸浮液,驗(yàn)證了單模光纖比多模光纖更加適合于動態(tài)光散射的說法. 對純自拍、純外差、自拍與外差任意比例混合光信號的檢測模式進(jìn)行了理論模擬研究,并得出了該模擬研究的理論可行性及提前對混合光信號進(jìn)行模擬的意義,為在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中能夠準(zhǔn)確、快速進(jìn)行粒徑反演提供了理論依據(jù).搭建了用于檢測自拍與外差任意比例混合光信號的動態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并對60nm和200nm的標(biāo)準(zhǔn)顆粒進(jìn)行的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)測量;首次