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

1、動(dòng)態(tài)光散射(DLS)技術(shù),又稱光子相關(guān)譜(PCS)技術(shù),是探測(cè)大分子、亞微米及納米微粒在液體中動(dòng)態(tài)行為的最有效的方法之一;它是通過測(cè)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(cè)微細(xì)顆粒動(dòng)態(tài)特性的工業(yè)中.由于傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光散射系統(tǒng)體積大,易受外界因素干擾,探測(cè)樣品濃度低,不能應(yīng)用于工業(yè)在線測(cè)量等

2、因素,嚴(yán)重制約了動(dòng)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(dòng)態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成為可能.目前,國(guó)外尤其是美國(guó),在這個(gè)領(lǐng)域非常先進(jìn),無(wú)論是傳統(tǒng)式動(dòng)態(tài)光散射系統(tǒng)還是光纖式動(dòng)態(tài)光散射系統(tǒng)都已經(jīng)開發(fā)出商品化儀器;而國(guó)內(nèi)對(duì)光纖式動(dòng)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(jí)階段.本論文的主要工作就是在分析光纖式動(dòng)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(cè)量當(dāng)中;為開發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、

3、低成本、實(shí)用化、可用于在線檢測(cè)的微型動(dòng)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(guó)內(nèi)外動(dòng)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(dòng)態(tài)光散射(特別是光纖式動(dòng)態(tài)光散射)技術(shù)的發(fā)展.接著詳細(xì)介紹了動(dòng)態(tài)光散射的測(cè)量原理,包括信號(hào)產(chǎn)生原理和檢測(cè)原理;通過對(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)散射光偏振狀態(tài)的影響,明確解釋了在動(dòng)態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)中使用垂直偏振光的原因.討論了動(dòng)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(jì)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(dòng)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(dòng)態(tài)光散射系統(tǒng),但其耦合比較困難.接著對(duì)光纖式動(dòng)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(duì)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(gè)數(shù)量級(jí).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(dòng)態(tài)光散射系統(tǒng),用其分別測(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)念光散射系統(tǒng),并用其測(cè)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(dòng)態(tài)光散射的說(shuō)法. 對(duì)純自拍、純外差、自拍與外差任意比例混合光信號(hào)的檢測(cè)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(duì)混合光信號(hào)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(cè)自拍與外差任意比例混合光信號(hào)的動(dòng)態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并對(duì)60nm和200nm的標(biāo)準(zhǔn)顆粒進(jìn)行的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)測(cè)量;首次