基于光纖的動態(tài)光散射理論及其實驗技術的研究.pdf

1、動態(tài)光散射(DLS)技術,又稱光子相關譜(PCS)技術,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半徑和粒度分布的.隨著現代科學和經濟的發(fā)展,該技術廣泛應用于建材、冶金、化工、輕工、食品、醫(yī)藥、機械、地質、石油、環(huán)保等涉及到探測微細顆粒動態(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,不能應用于工業(yè)在線測量等

2、因素,嚴重制約了動態(tài)光散射技術的應用范圍.將光纖利用于該領域,使得小型、便攜、穩(wěn)定及在線式動態(tài)光散射實驗系統(tǒng)成為可能.目前,國外尤其是美國,在這個領域非常先進,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)都已經開發(fā)出商品化儀器;而國內對光纖式動態(tài)光散射理論、實驗系統(tǒng)和實驗技術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)光散射理論的基礎上搭建了幾種實驗系統(tǒng),并將其用于微粒粒徑的測量當中;為開發(fā)具有我國自主知識產權的、

3、低成本、實用化、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驗技術方面的基礎性工作. 論文首先分析目前國內外動態(tài)光散射研究的狀態(tài),提出了本論文所研究的任務,介紹了動態(tài)光散射(特別是光纖式動態(tài)光散射)技術的發(fā)展.接著詳細介紹了動態(tài)光散射的測量原理,包括信號產生原理和檢測原理;通過對自相關曲線進行定量分析,得出了自相關曲線與顆粒粒徑之間的關系,這有助于對實際實驗結果的正確性進行分析.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)光散射實驗系統(tǒng)的構造,詳細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)光散射實驗中使用垂直偏振光的原因.討論了動態(tài)光散射實驗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)一設計原則和性能判據,利用這條原則和判據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、實際實驗中驗證了該原則判據的正確性. 詳細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,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)的空間相干性進行了分析,分析了光纖的數值孔徑與纖芯直徑對散射光信躁比的影響,發(fā)現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準直徑分別為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,并得出了理想的實驗結果;利用該系統(tǒng)測量了濃度(體積分數)分別約為0.1﹪、1﹪、3﹪、5﹪、6﹪、的五種200-nm標準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準直徑為60nm、200

7、nm和300nm的高濃度的標準聚苯乙烯乳膠球顆粒的懸浮液,驗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行模擬的意義,為在實際實驗中能夠準確、快速進行粒徑反演提供了理論依據.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)光散射實驗系統(tǒng),并對60nm和200nm的標準顆粒進行的驗證性實驗測量;首次