（光学专业论文）基于光纤的动态光散射理论及其实验技术的研究.pdf

摘要 动态光散射( d l s ) 技术，又称光子相关谱( p c s ) 技术，是探测大分子、亚微 米及纳米微粒在液体中动态行为的最有效的方法之一；它是通过测量散射微粒产生的 散射光的微小频移和角度依赖性获取微粒的流体力学半径和粒度分布的。随着现代科 学和经济的发展，该技术广泛应用于建材、冶金、化工、轻工、食品、医药、机械、 地质、石油、环保等涉及到探测微细颗粒动态特性的工业中。由于传统的动念光散射 ， 系统体积大，易受外界因素干扰，探测样品浓度低，不能应用于工业在线测量等因素， 严重制约了动态光散射技术的应用范围。将光纤利用于该领域，使得小型、便携、稳 定及在线式动态光散射实验系统成为可能。目前，国外尤其是美国，在这个领域非常 先进，无论是传统式动态光散射系统还是光纤式动态光散射系统都已经开发出商品化 仪器；而国内对光纤式动态光散射理论、实验系统和实验技术的研究基本还是初级阶 段。本论文的主要工作就是在分析光纤式动态光散射理论的基础上搭建了几种实验系 统，并将其用于微粒粒径的测量当中；为开发具有我国自主知识产权的、低成本、实 用化、可用于在线检测的微型动态光散射仪器做了一些理论和实验技术方面的基础性 工作。 论文首先分析目前国内外动态光散射研究的状态，提出了本论文所研究的任务， 介绍了动态光散射( 特别是光纤式动态光散射) 技术的发展。接着详细介绍了动态光 散射的测量原理，包括信号产生原理和检测原理；通过对自相关曲线进行定量分析， 得出了自相关曲线与颗粒粒径之间的关系，这有助于对实际实验结果的正确性进行分 析。紧接着分析了目前常用的各种反演算法，并且探讨了每一种算法的适用范围。 介绍了传统动态光散射实验系统的构造，详细分析了各组成部分的功能和选取 原则，并指出了这样的系统存在的缺陷。利用米散射理论从电偶极子辐射的角度详细 探讨了入射光的偏振状态对散射光偏振状态的影响，明确解释了在动态光散射实验中 使用垂直偏振光的原因。讨论了动态光散射实验中空间相干性的概念和作用，首次提 出了散射光接收器的统一设计原则和性能判据，利用这条原则和判据分折了目前几种 比较常用的传统散射光接收器的性能优劣，并在实际实验中验证了该原则判据的正确 性。 详细分析了多模光纤和单模光纤在动态光散射中使用的优缺点，指出了单模光 i 草f 光? f 的动态光散射理论段j c 巧j 验技术的研究 纤更适合于动态光散射系统，但其耦合比较困难。接着对光纤式动念光散射系统的空 问相干性进行了分析，分析了光纤的数值孔径与纤芯直径对散射光信躁比的影响，发 现利用单模光纤搭建的系统要比多模光纤的系统空间相干性高一个数量级。尔后，首 先基于两根规格相同的多模光纤搭建了第一套光纤式动念光散射系统，用其分别测量 了含有标准直径分别为6 0 h m 、2 0 0 h m 和3 0 0 n m 聚苯乙烯球形颗粒的三种单分散性稀 溶液以及6 0 n m 与2 0 0 h m 和6 0 n m 与3 0 0 h m 聚苯乙烯球形颗粒的两种混合悬浮液， 并得出了理想的实验结果：利用该系统测量了浓度( 体积分数) 分别约为0 1 、l 、 3 、5 、6 、的五种2 0 0 n n l 标准聚苯乙烯乳胶球形悬浮液，探讨了该系统所能探 测样品浓度的范围。其次搭建了基于多模光纤传输和单模光纤接收的第二套光纤式动 态光散射系统，并用其测量了三种分别含有标准直径为6 0 h m 、2 0 0 h m 和3 0 0 h m 的高 浓度的标准聚苯乙烯乳胶球颗粒的悬浮液，验证了单模光纤比多模光纤更加适合于动 态光散射的说法。 对纯自拍、纯外差、自拍与外差任意比例混合光信号的检测模式进行了理论模 拟研究，并得出了该模拟研究的理论可行性及提前对混合光信号进行模拟的意义，为 在实际实验中能够准确、快速进行粒径反演提供了理论依据。搭建了用于检测自拍与 外差任意比例混合光信号的动态光散射实验系统，并对6 0 n t o 和2 0 0 n m 的标准颗粒进 行的验证性实验测量；首次利用一般性光强自相关函数对任意比例混合的光信号实验 数据进行了拟合，不仅得到了稳定可靠的微粒粒径，而且证实了理论模拟式的实验可 行性。该理论和实验技术的提出突破了以往只能依靠纯自拍或纯外差检测方式处理微 粒动态光散射信号的光子相关谱的瓶颈，拓展了动态光散射技术的应用范围，为动态 光散射技术能够更好的在实际工业在线测量中应用迈出了坚实的步。 关键词：光散射，动态光散射，光子相关谱，纳米粒径测量，光纤 n d y n a m i cl i g h ts c a t t e r i n gt h e o r ya n de x p e r i m e n tt e c h n i q u e b a s e do i lo p t i c a lf i b e r s a b s t r a c t d y n a m i cl i g h ts c a t t e r i n g ( d l s ) t e c h n i q u e ，k n o w n a sp h o t o nc o r r e l a t i o n s p e c t r o s e o p “p c s ) t e c h n i q u ea l s o ，h a sb e c o m eo n eo ft h em o s tv a l i dm e t h o df o rs t u d y i n g t h ed y n a m i cb e h a v i o ro fm a c r o m o l e c u l e s ，s u b m i c r o na n dn a n o m e t e rp a r t i c l e ss u s p e n d e di n l i q u i d h y d r o m e c h a n i c a lr a d i u sa n dg r a n u l a r i t yd i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e sc a nb eg a i n e db y m e a s u r i n gt h et i n yf r e q u e n c ys h i f to ft h es c a t t e r e dl i g h tp r o d u c e db yt h ep a r t i c l e sa n di t s a n g l ed e p e n d e n c e w i mt h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea n de c o n o m y , t h et e c h n i q u e h a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n yi n d u s t r yd o m a i n sr e f e r r e dt oc h a r a c t e r i z i n gt h ed y n a m i c b e h a v i o ro fs m a l lp a r t i c l e s ，s u c ha sa r c i l i t c c t u i em a t e r i a l ，m e t a l l u r g y , c h e m i c a li n d u s t r y , l i g h ti n d u s t r y , f o o d s t u f f , m e d i c a m e n t ，m e c h a n i s m ，g e o l o g y , p e t r o l e u m ，e n v i r o n m e n t p r o t e c t i n ge t c n o wt h i sf i e l di sv e r ya d v a n c e do v e r s e a s ，e s p e c i a l l yi na m e r i c a b o t ht h e c o n v e n t i o n a ld l sa n dt h ef i b e r - b a s e dd l sa p p a r a t u sa r ea v a i l a b l ei nb u s i n e s s b u tt h e s t u d yo ft h ef i b e r - b a s e dd l s ，t h e o r y , e x p e r i m e n ts y s t e m sa n de x p e r i m e n tt e c h n i q u e s ，i s a l m o s tb l a n ki nc h i n a o na n a l y z i n gt h et h e o r yo ft h ef i b e rd l s ，t h em a i nw o r k so ft h i s t h e s i sa l et h a ts o m ee x p e r i m e n t a ls y s t e m s 、e r ed e s i g n e da n dr e a l i z e d a n da p p l i e dt ot h e s t u d yo fp a r t i c l es i z i n g 1 1 1 ew o r k sh a v ee s t a b l i s h e dag o o dt h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a l b a c k g r o u n df o rd e s i g n i n gt h em i n i a t u r ed l si n s t r u m e n t s ，w h i c hw i l lb eo fl o wc o s t , p r a c t i c a la n dc a l lb eu s e di no n - l i n em e a s u r e m e n t ，a n dh a st h ek n o w l e d g ep r o p e r t yr i g h to f o u r s e l v e s t h es t u d ya c t u a l i t yo fd l si n - c o u n t r ya n do v e r s e a sw a sa n a l y z e df i r s t ，a n dt h es t u d y t a s k so ft h i st h e s i sw e r eb r o u g h to u t t h ed e v e l o p i n go fd l s ( e s p e c i a l l yt h ef i b e r - b a s e d d l s ) w a si n t r o d u c e d t h e nt h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo fd l s ，w h i c hi n c l u d e ss i g n a l g e n e r a t i o na n dm e a s u r e m e n t , w a sa n a l y z e di nd e t a i l f r o ma n a l y z i n gt h ea u t o c o r r e l a t i o n c u r v eq u a n t i f i c a t i o n a l l y , t h er e l a t i o nb e t w e e np a r t i c l es i z ea n dt h ea u t o c o r r e l a t i o nd a t aw a s d e r i v e d ，a n dt h i sd o e sh e l po n et oa n a l y z et h ec o r r e c t n e s so f t h ea c t u a le x p e r i m e n t a lr e s e t s t h e nt h ep o p u l a ri n v e r s i o na r i t h m e t i c sw e r ea n a l y z e da n dt h ea p p l i c a b i l i t yo fe a c h 1 1 1 辟卜光纤的动态光散射卵论厦j e 实验技术的研究 a r i t h m e t i cw a sd i s c u s s e d t h ec o n s t i t u t i o no ft h ec o n v e n t i o n a ld l ss y s t e mw a si n t r o d u c e d t h ef u n c t i o na n d t h ec h o o s i n gp r i n c i p l eo fe v e r yc o m p o s i t i v ep a r tf o rad l s s y s t e mw e r ea n a l y z e di nd e t a i l t h ed i s a d v a n t a g e so f s u c has y s t e mw e r ep o i n t e do u t t h ep o l a r i z a t i o nr e l a t i o n s h i po ft h e i n c i d e n tl i g h ta n dt h es c a t t e r e dl i g h tw a sd i s c u s s e di nd e t a i li nv i r t u eo fm i et h e o r y , a n dt h e r e a s o nf o ru s i n gt h ev e r t i c a l l yp o l a r i z e dl i g h ti nad l se x p e r i m e n tw a se x p l a i n e dd e f i n i t e l y t h ec o n c e p to f t h es p a c i a lc o h e r e n c ea n di t sa f f e c t i o no n ad l s e x p e r i m e n tw e r ed i s c u s s e d t h eg e n e r a ls t a n d a r do fd e s i g n i n gt h el i g h tr e c e i v e r sf o rad l s s y s t e ma n dt h ec r i t e r i o no f e s t i m a t i n gt h e i rc a p a b i l i t yw e r ep u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m ei nt h et h e s i s 。t h e p e r f o r m a n c e so fs o m et y p i c a lc l a s s i c a ll i g h tr e c e i v e r sw e r ea n a l y z e du s i n gt h ec r i t e r i o n ， a n dt h ev a l i d i t yo f t h i st h e o r yw a sv a l i d a t e db yad l s e x p e r i m e n t t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f u s i n gm u l t i m o d ef i b e r so rm o n o m o d ef i b e r si na d l ss y s t e mw e r ea n a l y z e di nd e t a i la n dt h ec o n c l u s i o ni st h a tm o n o m o d ef i b e ra l em u c h m o l ea p p r o p r i a t et oad l ss y s t e m ，b u tt h ec o u p l i n gi sm u c hm o r ed i f f i c u l tt h e n m u l t i m o d ef i b e r s t h e nt h es p a c ec o h e r e n c eo faf i b e r s - b a s e dd l ss y s t e mw a sa n a l y z e d t h ei n f l u e n c eo f t h en u m e r i c a la p e r t u r eo f af i b e r t h ef i b e rc o r ea p e r t u r ea n dt h es c a t t e r i n g a n g l e st ot h es i g n a l - t o n o i s er a t i oo f t h es c a t t e r e dl i g h tw a sd i s c u s s e d ，a n dt h ec o n c l u s i o ni s t h a tt h es p a c ec o h e r e n c eo fam o n o m o d ef i b e r - b a s e dd l ss y s t e mi sm u c hb e t t e rt h a nt h a t o fam u l t i m o d ef i b e r - b a s e dd l ss y s t e mb ya no r d e ro fm a g n i t u d e t h e nam u l t i m o d e f i b e r - b a s e dd l ss y s t e mw h i c hc o n t a i n st w os a l n em u l t i m o d ef i b e r sw a ss e tu pf i r s t t h r e e d i l u t ep o l y s t y r e n el a t e xs u s p e n s i o n s ，e a c hi n c l u d i n g6 0 n n l ，2 0 0 一n n la n d3 0 0 一n n lg l o b a l p a r t i c l e sr e s p e c t i v e l y , a n dt w om i x e dd i l u t ep o l y s t y r e n el a t e xs u s p e n s i o n s ，o n ei n c l u d e d 6 0 - n ma n d2 0 0 - n l na n dt h eo t h e ri n c l u d e d6 0 n ma n d3 0 0 n mg l o b a lp a r t i c l e s ，w e r e m e a s u r e dw i t ht h i ss y s t e mr e s p e c t i v e l y g o o de x p e r i m e n tr e s u l t sw e r eo b t a i n e d f i v e d i l u t es u s p e n s i o n so fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s ( v o l u m e v o l u m ep e r c e n t ) ，c o n t a i n i n g6 0 一a m g l o b a lp o l y s t y r e n el a t e xp a r t i c l e s ，丽t hc o n c e n t r a t i o n s o fo 1 ，1 ，3 ，5 ，6 r e s p e c t i v e l y , w e r em e a s u r e dw i t ht h i ss y s t e mt oe x a m i n et h es y s t e m sc a p a b i l i t yo f m e a s u r i n gt h ec o n c e n t r a t e ds u s p e n s i o n s a n o t h e rd l ss y s t e m ，c o n t a i n i n gam u l t i m o d e f i b e ra n dam o n o m o d ef i b e r , t h em u l t i m o d ef i b e rw a su s e df o rt r a n s f e r r i n gt h ei n c i d e n t l i g h ta n dt h em o n o m o d ef i b e rf o ri n c e p t i n gt h es c a t t e r e dl i g h t , w a ss e tu pa n dt h r e e l v 济南人掌帧 学位论上 c o n c e n t r a t e dp o l y s t y r e n el a t e xs u s p e n s i o n s ，i n c l u d e d6 0 一n h i ，2 0 0 h a la n d3 0 0 n n l 四o b a l p a r t i c l e sr e s p e c t i v e l y ，w g l em e a s u r e dw i t hi t me x p e r i m e n tr e s u l t s s h o wt h a tt h e m o n o m o d ef i b e r sa l em o r es u i t e df o rd l st l l a nt l l em u l t i m o d ef i b e r s 1 1 1 es i m u l a t i o ns t u d yt ot h ed l ss i g n a lm i x e do ft h es e l f - b e a t i n ga n dh e t e r o d y n ew a s p e r f o r m e d ；i tw a sf o u n dt h a tl a r g ee r r o rc o u l de x i s ti nt h ep a r t i c l e ss i z er e s u l t si f t h em i x e d d l ss i g n a lw a si n v e r s e db yas i m p l es e l f - b e a t i n go rah e t e r o d y n ea r i t h m e t i c a1 1 c w m e t h o dw a sp u tf o r w a r df o ri n v e r s i n gt h em i x e dd l s s i g n a l ，i ts u p p l i e sat h e o r e t i c a l 蛮s t f o ri n v e r s i n gt h em i x e dd l ss i g n a lt oo b t a i nt h ep a r t i c l e s s i z ec o r r e c t l yi nt h ea c t u a ld l s e x p e r i m e n t s ad l ss y s t e mf o rm e a s u r i n gt h em i x e dd l ss i g n a lw a ss e tu p ，a n di t s c a p a b i l i t yw a sd e t e c t e dw i t ht h es t a n d a r d6 0 一n l na n d2 0 0 - n l rp a r t i c l e s t h em i x e dd l s l i g h ts i g n a ld a t aw a sf i t t e d 、i t i it h eg e n e r a li n t e n s i t ya u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o n t h es t e a d y a n dr e l i a b l ep a r t i c l e ss i z ew a so b t a i n e d t h eb o t t l e n e c k , t h a tt h em i x e dd l ss i g n a lc o u l d o n l yb ed e a l tw i t hb yt h es i m p l es e l f - b e a t i n go rh e t e r o d y n ea r i t h m e t i c ，h a sb e e nb r e a k i n g t h r o u g hb yt h i st h e o r ya n dt h er e l e v a n te x p e r i m e n tt e c h n i q u e t h ea p p l i e dr a n g eo fd l s t e c h n i q u ew a se x p a n d e da n daf o u n d a t i o no ft h ea p p l i c a t i o no ft h ed l st e c h n i q u ei nt h e a c t u a li n d u s t r yo n - l i n em e a s u r e m e n tw a se s t a b l i s h e d k e y w o r d s ：l i g h ts c a t t e r i n g ，d y n a m i cl i g h ts c a t t e r i n g , p h o t o nc o r r e l a t i o ns p e c t r o s c o p y , n a n o p a r t i c l es i z i n g ，o p t i c a l f i b e r v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：复查i 宣 日期：翻：生 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 论文作者签名： 蘧苯；虫 济南夫学硕卜学位论文 第一章前言 光散射现象普遍存在宇宙之中，它无时无刻不与人们在同常生活中相遇1 1 l 。所谓 光散射就是一束光通过介质时，在入射光方向以外的各个方向也能够观察到光强的现 象。其本质是光波中的电磁场与介质中分子相互作用的过程。因为介质的分子都是由 电子和原子核所组成，所以当光波射入介质时，在光波电场的作用下，分子或原子会 产生诱导极化，并以一定的频率做强迫振动，形成振动的偶极子，这些振动的偶极子 就成为二次光源，向各个方向发射电磁波，即散射波。根据散射光相对于入射光的频 率( 能量) 改变不同，可将光散射分为三类。散射光没有频率改变的称为弹性光散射 ( e l a s t i cl i g h ts c a t t e r i n g ，简称e l s ) ，也称经典光散射( c l a s s i c a ll i g h ts c a t t e r i n g ，简称 c l s ) 或静态光散射( s t a t i cl i g h ts c a t t e r i n g ，简称s l s ) ：由分子跃迁、热声波而引起 散射光频率发生较大变化的称为非弹性光散射( i n e l a s t i cl i g h ts c a t t e r i n g ) ：而由散射体 运动产生多普勒( d o p p l e r ) 效应 2 1 1 3 1 引起的散射光频率微小改变的光散射称为准弹 性光散射( q u a s i e l a s t i cl i g h ts c a t t e r i n g ，简称q e l s ) 或动态光敏射( d y n a m i cl i g h t s c a t t e r i n g ，简称d l s ) 。 动态光散射( d l s ) 技术，又称光子相关谱( p c s ) 技术，它是通过测量与分析 做布朗运动的微粒散射的光信号来得到与粒子大小及其微观结构有关的参量。由于光 电技术、激光技术和计算机技术的飞速发展，该技术目前已经成为探测大分子、微米、 亚微米及纳米级微粒在液体中动态行为的最有力手段。它不但可以有效地测得散射微 粒的平均大小和尺寸分布，而且能够测量大分子的分子量、维利系数及表征其内部结 构的各种参量。在新材料研究( 如检测微晶的生长过程) 、纳米材料的开发、微生物 和生物工程、药物学以及医学诊断( 如测量人眼睛体的混浊程度而诊断白内障、测量 血液流速有助于心血管疾病的诊断) 、环境污染监测、实验教学等各个领域都得到广 泛的应用。随着对各种新材料的开发和纳米材料研究的深入，对测量大分子结构参量 和纳米微粒尺寸及其分布的实验技术的需求同益增加。 与其它方法相比，动态光散射测量不仅具有快速、准确、可靠、无损伤性等特 点，还具有不干扰不破坏体系原有状态的优点。然而，不论是传统式动态光散射的实 验条件与实验设备，还是其测量技术都存在很多缺点，例如，在动态光散射实验过程 中杂散光、气流、振动、灰尘、温度变化等外界因素均会对测量结果产生不同程度的 i 堆f 光；f 的动态光敞射胖论段奠实验技术的研究 影响，因而要求实验室必须是暗室、没有气流和震动、无尘、恒温等。这些苛刻的条 件使得该类型的实验无法在通常的实验室环境下正常进行。再者在传统式动态光散射 实验装置中，接收与传输光路都是由传统的透镜、光阑等光学元件组成的，这些元件 使得整个系统体积庞大( 在m 3 的量级上) ，成本太高、不易准直与调褴、不能移动， 使用起来不方便。还有一个最主要的缺点就是传统式动态光散射只能够测量产生单散 射光的分散系，即浓度极低的分散系，体积浓度般要低于o 0 0 1 ：而在测量高浓 度分散系时。多重散射效应远大于单散射效应，这样传统的动态光散射就不能够测量 高浓度分散系；但是在化学工业生产中会经常遇到商浓度的分散体系，在检测它们的 特性时不能将其稀释以免其性质会发生改变；这样一来传统式动态光散射技术就不能 完成工业环境下的实时在线测量。传统式动态光散射系统的这些不利因素严重的阻碍 着它的适用范围和发展，因此，研究一种成本低廉、使用方便，能够应用于工业环境 下在线测量的动态光散射实验技术与系统，无论对实验室的科学研究还是对于生产企 业的质量监控，都是十分必要的。 随着对该技术研究的不断深入，人们发现将光纤应用到动态光敏射中有可能消 除传统动态光散射中的种种不利因素，而且还可以得到一些意外的收获。目i j ，国外， 尤其是美国，在这个领域非常先进，无论是传统式动态光散射系统还是光纤式动态光 散射系统都已经开发出商品化仪器。最近几年来，国外在该方面的研究主要集中在如 何提高数据处理的精度和用新型的光电器件代替常规光电器件等问题上。国内对动态 光散射的研究比较晚，始于上个世纪9 0 年代。主要有两个方面的研究：一是对动态 光散射技术本身的研究，二是研究如何利用进口的仪器测量各种样品。在对动态光散 射技术本身研究方面，都是使用传统式光电器件，如气体激光器、光电倍增管、透镜 和光阑等，基本上是重复国外已有的研究，而对于光纤式动态光散射的研究则是寥寥 无几，只有个别研究小组在研究大分子悬浮液时在其进口的传统动态光散射实验装置 中加了根光纤 4 1 ，没有从理论到系统设计与搭建做细致详尽的分析和探讨，更没有对 光纤式动态光散射实验技术作深入地研究。可以说在国内，对光纤式动态光散射理论、 实验系统和实验技术的研究基本还是一片空白。到目前为止仅在专利中见到一则用于 动态光散射信号的接收睁l ，但没有涉及光源信号的传输，没有实现低成本、微型化和 在线监测。 本论文的目的就是在研究动态光散射基本原理及传统式实验系统的基础上，分 析光纤在动态光散射中如何使用、比较单模光纤与多模光纤在动态光散射实验中使用 2 济南大学硕十学位论史 时的优缺点；研究光纤与激光器、样品池、光电倍增管的方便连接，构造光纤式动态 光散射实验系统，并将其应用于微粒粒径的测鼍。具体任务如下： ( 1 ) 探讨入射光的偏振状态与散射光的偏振状态的关系，解释在动态光散射实验中 使用垂直线偏振光源的原因； ( 2 ) 探讨系统的空间相干性，寻找散射光接收器的统一设计原则和性能判据，并将 其应用于实践； ( 3 ) 探讨光纤在动念光散射中应用的优缺点，分析光纤构造散射光接收器时的空间 相干性，比较多模光纤接收器和单模光纤接收器的优劣： ( 4 ) 搭建基于多模光纤传输与接收光信号的动态光散射实验系统，并将其应用于微 粒粒径的测量研究，以检测系统的性能； ( 5 ) 搭建基于多模光纤传输入射光与单模光纤接收散射光的动态光散射实验系统， 并将其应用于微粒粒径的测量研究，以检测系统的性能，并与基于多模光纤动 态光散射实验系统的性能进行对比； ( 6 ) 对纯自拍、纯外差及自拍与外差任意比例混合光信号检测进行理论模拟研究， 搭建自拍与外差任意比例混合光信号检测的实验系统，并用该系统验证模拟研 究的i f 确性及可行性； ( 7 ) 分析目i ； 常用的反演算法，寻找每一种算法的适用范围。 总之，如果本课题的研究目的能够实现，不但可以为实验室的科学研究提供一 些有效的研究手段，同时将为开发具有我国自主知识产权的、低成本、实用化、可用 于在线检测的微型动态光散射仪器和针对不同条件下所采用的合适的实验方法奠定 坚实的理论和技术基础。 l ；e 卜光纤的动态光敞身f 珲论段奠霉：验手土术的研究 第二章动态光散射技术的发展 动态光散射理论与相关的实验技术从提出到现在已经有8 0 多年的历史。以光纤 在该领域的应用为分界点可将动态光散射分成两部分，即传统式动态光散射和光纤式 动念光散射。本章介绍了这两部分的理论和实验技术的发展历程。 2 1 传统式动态光散射 动态光散射作为一个研究领域的历史主要从1 9 1 4 年开始的。这一年b r i l l o u i n l 6 1 利用热激发声波( d e b y e ，1 9 1 2 ) 1 7 解释了液体中的局部密度涨落，并于1 9 2 2 年报告 了致密物质的光散射谱的理论【窖1 。他预占了著名的b r i l l o u i n 双线双线均匀的分布 在入射光频两边，相对于入射光频率移动了约国，国的值正比于介质中的声速d 和散 射矢量口，即： = u - g ( 2 1 ) 而散射矢量q 大小与真空中的光波波长五和散射角口的关系为： q = ( 4 n n g ) s i n ( 目，2 ) ( 2 2 ) 其中行为介质的折射率。从( 2 1 ) 式中可以看出如果q 变化了，例如改变散射角，双 线相对于入射光频率的频移也会发生变化。 1 9 3 0 年，c j r o s s l 9 1 n 10 1 第一次从实验室中观察到b r i l l o u i n 散射谱线，并且同时注 意到一个没有频移的中心谱线，这条谱线对应的正是r a y l e i g h 散射谱线，如1 9 3 4 年 【l l 】l a n d a n 和p l a c z c k 的理论所预言，他们利用准热力学的方法给出了r a y l e i g h 谱线的 理论解释，并说明了中心线光强对双线光强的比为： l c i d = t c 。一c 。、f c 。 ( 2 3 ) 其中c ，和c 。分别表示定压摩尔热容和定容摩尔热容，中心谱线宽度是由热扩散 系数决定的。此后，有几个研究小组紧跟这个重要发现，在理论和实验上作了许多研 究。其中许多工作，尤其是莳苏联的研究工作，被收集在f a b e l i n s k i i 幢】的专著中。尽 管这一领域的发展能提供大量物质动力学方面的信息，具有很大的潜力，但由于使用 普通光源和缺乏好的光电探测技术，很难得到可靠、准确的实验结果，使这一领域的 发展相对滞后。 1 9 6 4 年，美国s t a n d f o r d 大学化学系的r p e c o r a l l ”从理论上说明了通过对大分子 4 济南夫学6 贞卜学f ，论史 溶液中散射出来的r a y l e i g h 谱线频谱分布的研究可以获得大分子的动力学参数，进 而推知大分子的尺寸、形状和分子量。这里所指的频谱分布只由微粒的动力学效应引 起，不涉及能级跃迁等分子内部效应；并预言只有采用刚发明不久的具有高亮度、高 的时间与空间相干度的激光作光源彳。可以获得高的信噪比，才可使这类试验真难可 行。因此，r p e c o r a 成为了使动态光散射得到广泛应用的开创者。然而r a i l e i g h 散射 的谱线宽度( 即散射光相对于入射光频率改变) 是如此之小( 通常这个频移量大约为 几h z 到几千h z ) 以至于用最好的单色仪也不能分辨散射光的频率分布【1 4 l 。1 9 6 4 年， c u m m i n s l l 5 等人以及1 9 6 5 年f o r d 和b e n e d e t l 6 l 利用光学混频技术( o p t i c a l m i x i n g t e c h n i q u e ，或称光拍技术( o p t i c a lb e a t i n g t e c h n i q u e ) ) ，分别成功测定了这种频率展 宽很窄的“中心成分”。随后几年垦，c h n i m 、c u m m i n s l l 矾、p i k e 1 9 j 和p e c o r a t 2 0 i 都对 该领域的发展做出了显著的贡献。随着动态光散射迅速发展出现了数字相关技术， p i k e 小组在英国的m a l v e r n 公司研制开发出世界上第一台商业化数字相关器；商业化 数字相关器的出现使得动态光散射技术更加稳定可靠，至此该技术在实验室中已作为 一种成熟的实验技术，广泛应用于大分子或胶体体系的基础研究中。与此同时，b e r n e 与p e c o r a l 2 0 j 、c h u l l7 l 以及b r o w n l 2 1 j 先后撰写有关专著，从理论基础到实验技术上逐渐 完善了动态光散射，在此本文将该段时期的动态光散射称为传统式动态光散射。 传统式动态光散射技术可无扰、快速、高灵敏度、高分辨的对稀溶液中大分子、 亚微米级纳米级颗粒的各种动态特性的准确测量，使之成为探讨亚微观世界规律的一 项重要技术。然而，传统式动态光散射对于多重散射几乎无能为力，而在实际测量中 经常会遇到浓度很大的样品溶液；如果稀释之后再进行探测，也许会破坏体系原有的 动态特性。因此这一问题严重阻碍着动态光散射的发展与应用。 2 2 光纤式动态光散射 自上世纪7 0 年代将光纤及其相关器件引入到动态光散射技术中以来，体积小、 成本低、可用于高浓度检测的动态光散射系统已经成为动态光散射应用研究的热点之 一。这类实验系统可靠性和测量精度均可与传统的动态光散射系统相媲美，可广泛应 用于科学研究和工业生产中。与传统的系统不同，光纤式动态光散射系统是利用光纤 将入射光传与接收散射光的；这样就省去了透镜、光阑等传统的光学元件，使得系统 体积大大减小。更为重要的是光纤探针可以直接插入样品溶液中，实现了对高浓度样 品直接测量和工业生产中的在线监测与远距离测控。根据光纤使用的不同，可将光纤 苹f 光纤的功奄尤歆舯理诊肚jr 实舱让术1 1 勺研咒 式动态光散射分为多模光纤式、单模光纤式和其它光纤式三类。 2 2 1 多模光纤式动态光散射 1 9 7 5 年t a n a k a 和b e n e d e k l 2 2 1 第一次报道了光纤在动态光散射实验中的应用。他 将一根直径为5 0 0l am 的多模光纤与光电倍增管直接相连测量了血液的流速。经过十 几年的发展，多模光纤式动态光散射理论、实验系统结构设计和实验技术都已比较完 善。b r o w n l 2 3 1 于1 9 8 7 年初步总结介绍了光纤在动态光散射中的应用。a j m a c f a d y e n 和b 1 鼍j e m l i n g s 2 4 j 于1 9 9 0 年详尽的总结了各种多模光纤动态光散射式系统。在此不 再对多模光纤动态光散射式系统作详细的介绍，有兴趣者可参考文献 2 3 1 和1 2 4 。 2 2 2 单模光纤式动态光散射 最初，b r o w n 等人对构造光纤式动态光散射系统所使用的各种器件作了一系列理 论研究1 2 5 1 1 【3