（凝聚态物理专业论文）基于后向散射法微体积液体折射率测量系统的研究.pdf

北京化工大学位论文原创性声明 j 删 y 1 8 7 岁崮百。 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 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期：矽i ：三二名 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论 作者签名： 导师签名： 文不属于保密范围，适用本授权书。 日期：塑! ：0 “ 日期： 学位论文数据集 中图分类号 0 4 3 7 学科分类号 1 4 0 3 0 2 0 论文编号 1 0 0 10 2 0 1 1 0 9 7 1 密级 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名王海峰 学号 2 0 0 8 0 0 0 9 7 1 获学位专业名称 凝聚态物理获学位专业代码 0 7 0 2 0 5 课题来源国家基金项目研究方向非线性光学生物传感器 论文题目基于后向散射法微体积液体折射率测量系统的研究 关键词微干涉后向散射探测器，干涉条纹，c c d ，折射率，检测限 论文答辩日期 2 0 1 1 5 2 1 论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会隋况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师丁迎春 教授北京化工大学物理电子学 评阅人1 盛新志教授 北京交通大学物理电子学 评阅人2 林静副教授 北京化工大学凝聚态物理 评阅入3 评阅人4 答辩委员会拂陈信义 教授 清华大学物理学 答辩委员1 曹茂盛 教授 北京理工大学高分子材料 答辩委员2 盛新志教授 北京交通大学 凝聚态物理 答辩委员3 祁欣 教授北京化工大学凝聚态物理 答辩委员4 孟庆云 教授北京化工大学凝聚态物理 答辩委员5 丁迎春教授北京化工大学凝聚态物理 答辩委员6 荆坚教授北京化工大学凝聚态物理 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( c b t13 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 摘要 基于后向散射法微体积液体折 射率测量系统的研究 摘要 环境监测和快速测量生物药品成分组成已经是当今社会科学研究的 热门课题。在很多高校以及相关的科研单位，这个课题已经成为研究的重 点课题，不论是国家还是相关单位都有很大的投资在环境监测的科学研究 上。 介质的折射率在物理知识和实际应用中具有很重要的意义和作用，在 实际应用中，折射率的应用范围是非常广泛的，可见对于准确的测量折射 率的意义是多么重大，对于我们的生活是多么重要。在化学和生化研究上， 折射率的测量是一种很普遍的测量技术。快速监测和测量微体积的溶液样 本的需求也正在扩大，这种需求主要体现在环境和病情监测两个领域，包 括很多应用方面，比如饮用水质量监测和食物质量检测等。截止到目前， 已经有很多监测技术用来检测微体积溶液的折射率变化。在光学测量方法 中，主要有干涉法，波导法以及前向散射的测量方法i n 。尽管有些方法有 比较理想的检测限，但依然有很多缺陷。前向散射方法非常适合纳升量级 的溶液探测，但是这种方法的光是通过一个单通道光路，并且它的分辨率 受到限制。波导法可以用来监测很小体积的溶液，但是这种方法需要很长 的波导来实现。这些方法在大容量溶液探测以及分辨率方面都没有干涉和 散射的方法好。为了攻克前面提到的这些缺陷，我们在实验室条件下，研 究了一种基于后向散射干涉仪的新型探测器，这种探测器叫做微干涉后向 散射探测器。 微干涉后向散射探测器是很多分析方法中的一种。这种探测器通过相 干光照射到圆形物体上时会产生高对比的干涉条纹，通过分别注入不同的 目标溶液到毛细管中，然后来分析产生于毛细管周围的这些干涉条纹的变 t 北京化t 人学硕l ：学位论文 化情况来实现的。b o m h o p 是第一个提出和使用这种技术的科学家，在他 的研究报告中，微干涉后向散射探测器可以探测折射率改变大约为l o 。 在生物学以及化学的研究过程中，折射率的测量技术是一种很常见的 测量技术。可是，对于纳升体积溶液的折射率测量而言，高精度小型化的 探测器的研究依然面临巨大的挑战。本文采用一种比较灵活多变的的方 法，利用新型面阵c c d 来记录由于后向散射而产生的干涉条纹，然后结 合快速傅立叶变化的方法，通过追踪条纹在空间上的位移来得到折射率变 化的情况。通过这种方法，我们可以得到微体积液体折射率的检测限为 2 4 4 x 1 0 ，相当于检测限浓度为1 3 7 x 1 0 g m l 。 关键词：微干涉后向散射探测器，干涉条纹，c c d ，折射率，检测限 u a b s l r a c t r e f r a c t i v ei n d e xd e t e t i o no ft h eul ，t r a s m a l lv o l u m eb a s e do nm i c r o i n t e r f e r o m e t r i cb a c k s c a t t e r a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ga n dr a p i dm e a s u r e m e n to fb i o p h a r m a c e u t i c a l c o m p o s i t i o ni sah o tt o p i ci nm o d e m t i m e s i nm a n yu n i v e r s i t i e sa n dr e s e a r c h i n s t i t u t e s ，t h i sr e s e a r c hh a sb e c o m eaf o c u so ft h es t u d ys u b j e c t s t h e r ei sa h u g ei n v e s t m e n ti n e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n go ft h es c i e n t i f i cr e s e a r c h e s a m o n g al o to fn a t i o n sa n dr e l e v a n ti n s t i t u t e s i np h y s i c sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，r e f r a c t i v ei n d e xh a sai m p o r t a n tr o l e i np r a c t i c e ，t h er e f r a c t i v ei n d e xh a sav e r yh u g er a n g eo fa p p l i c a t i o n s o f c o u r s e ，t h ea c c u r a t em e a s u r e m e n to ft h er e f r a c t i v ei n d e xi sag r e a ti m p o r t a n t f o ro u rd a i l yl i f ea n ds t u d y r e f r a c t i v ei n d e xd e t e c t i o n ，w h i c hi su s e di n c h e m i c a la n db i o c h e m i c a la n a l y s i s ，i sac o m m o nt e c h n i q u e r a p i dm o n i t o r i n g a n dr e f r a c t i v ed e t e c t i o no fu l t r as m a l lv o l u m es a m p l e sa r ei ng r e a td e m a n d i t c a nb es e e ni nt w om a jo ra r e a so fe n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ga n dc a r ed i s e a s e d e t e c t i o n t h i sd e m a n dc o v e r sah u g er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，s u c ha sd r i n k i n g w a t e ra n df o o dq u a l i t y s of a r , s e v e r a ld e t e c t i o nt e c h n i q u e sh a v eb e e nu s e dt o m e a s u r ec h a n g ei nr e f r a c t i v ei n d e xo fs m a l la m o u n t so fa n a l y t e ，a n dt h e ya r e a l lo nt h eb a s i so fi n t e r f e r o m e t r y , w a v e g u i d i n ge f f e c ta n df o r w a r ds c a t t e r i n g h o w e v e r , t h e yh a v et h e i ro w nd r a w b a c k se v e nt h o u g hs o m eo ft h e mp r o d u c e e x c e l l e n td e t e c t i o nl i m i t s f o r w a r ds c a t t e r i n gm e t h o d sa r ew e l l s u i t e df o r w o r k i n gw i t hn a n o l i t e rp r o b ev o l u m e s ，b u tt h e yu s eas i n g l ep a s so p t i c a lt r a i n a n da r el i m i t e di nr e s o l u t i o n t h ew a v e g u i d i n gm e t h o d sh a v eo b v i o u ss m a l l p r o b ev o l u m e s ，b u tt h e yr e q u i r el o n gl e n g t h s o ft h ew a v e g u i d et ob e i n t e r r o g a t e d i nl a r g ev o l u m ef l o wc e l l sa n dd e t e c t i o nl i m i t s ，t h e s er e s u l t sa r e i n 北京化t 人学硕i ：学位论文 p o o r e rt h a nt h em e t h o d so fi n t e r f e r e n c ea n ds c a t t e r t os o l v et h ep r o b l e m s ，a l a t e m o d e lc o m m o nr e f r a c t i v ei n d e xd e t e c t o rb a s e do nb a c k s c a t t e r i n t e r f e r o m e t r y , w h i c hi sc a l l e dt h em i c r o i n t e r f e r o m e t r i cb a c k s c a t t e rd e t e c t o r ( m i b d ) ，h a sb e e nd e v e l o p e di no u rl a b m i c r o i n t e r f e r o m e t r i cb a c k s c a t t e rd e t e c t o r ( m i b d ) i so n eo fa n a l y t i c a l m e t h o d s ，a n di tr e li e so nt h eo b s e r v a t i o nt h a tc o h e r e n tl i g h ti m p i n g i n go na c y l i n d r i c a l l ys h a p e do b j e c tp r o d u c e sah i g h l ym o d u l a t e di n t e r f e r e n c ep a t t e r n m i b da n a l y z e sr e f l e c t i o n sf r o mac a p i l l a r yt u b ef i l l e dw i t hal i q u i dw h i c hi s a i m e df o rr e f r a c t i v ei n d e xm e a s u r e m e n t b o r n h o pi st h ef i r s tp e r s o nw h ou s e d a n dd e s c r i b e dt h i st e c h n i q u e i nh i ss t u d y , m i b dw a sc a p a b l eo fm e a s u r i n g c h a n g e si nr e f r a c t i v ei n d e xo fl i q u i d so nt h eo r d e ro fl o r i u h o w e v e r , i ti ss t i l las i g n i f i c a n tc h a l l e n g ef o rh i g h l yp r e c i s ea n dm i n i - a t u r ed e t e c t o r st om e a s u r eu l t r as m a l lv o l u m es a m p l e s t h i sp a p e rw i l lp r e s e n t af l e x i b l em e t h o dt or e c o r dt h ei n t e r f e r e n c ef r i n g e sw h i c ha r ec a u s e db y b a c k s c a t t e rw i t han e wl i n e a rc c d ；f u r t h e r m o r e ，i tw i l lg e tt h ei n f o r m a t i o no f r e f r a c t i v ei n d e xb yt r a c k i n gt h ed i s p l a c e m e n to ff r i n g e sw i t hf f ta n a l y s i s w i t ht h i sa p p r o a c h ，w eh a v eb e e na b l et oo b t a i nd e t e c t i o nl i m i t so f2 4 4 xl0 。7 r i u c o r r e s p o n d i n gt o1 3 7 x1 0 g m e k e yw o r d s ：m i c r o i n t e r f e r o m e t r i cb a c k s c a t t e rd e t e c t o r ( m i b d ) ，i n t e r f e r e e n c ef r i n g e s ，c c d ，r e f r a c t i v ei n d e x ( r i ) ，d e t e c t i o nl i m i t s 目录 目录 第一章绪论1 1 1 论文背景l 1 2 干涉测量技术的发展1 1 3 后向散射干涉法的发展状况2 1 3 1 光散射技术和研究历史2 1 3 2 光散射的分类3 1 3 3 微干涉后向散射法4 1 4 本论文的主要工作6 第二章微体积液体折射率测量后向散射法的基本理论9 2 1 引。言9 2 2 基于光线追踪的方法一9 2 2 1 四线追踪法模型。9 2 2 2 光程的变化1 1 2 2 3 反射和透射13 2 3 微体积液体折射率测法实验模型l3 2 3 1 六线追踪法模型1 3 2 3 2 后向散射法测折射率的实验原理1 5 2 4 本章小结1 6 第三章微体积液体折射率测量系统1 7 3 1 引。言一1 7 3 2 测量光源一1 7 3 3 温度控制系统和采集系统1 9 3 3 1 温度传感器及电路1 9 3 3 2 半导体制冷器及其驱动电路2 2 3 3 3 数据采集和软件控制2 5 3 4 图像采集系统2 7 3 5 本章小结3 l v 北京化丁人学硕 ：学位论文 第四章微体积液体折射率测量实验结果及其分析3 3 4 1 弓i 。言。3 3 4 2 实验光路平台搭建3 3 4 3 目标溶液3 5 4 3 1 溶液的选取3 5 4 3 2 目标溶液的配制3 7 4 4 实验数据和分析讨论3 8 4 4 1 干涉图样采集3 8 4 4 2 数据分析4 0 4 4 3 结果讨论4 2 4 5 小结4 3 第五章结论4 5 参考文献4 7 致谢4 9 研究成果及发表的学术论文5 1 作者简介5 3 c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n1 1 1 1d e v e l o p m e n to f m e a s u r i n gt e c h n o l o g y 1 1 2d e v e l o p m e n to fi n t e r f e r e n c em e a s u r i n gt e c h n o l o g y 1 1 3d e v e l o p m e n to f b a c k s c a t t e r i n gi n t e r f e r e n c em e a s u r i n gt e c h n o l o g y 2 1 ：；1r e s e a r c ho nl i g h ts c a t t e r i n g 2 1 3 2c l a s s i f i c a t i o no fl i g h ts c a t t e r i n g 3 1 3 3r e s e a r c ho nm i b d 4 1 。4 】r 】i em a i nw o r ko f t h et h e s i s 6 c h a p t e r 2t h eb a s i ct h e o r yo fm i b d 9 2 1i n t r o d u c t i o n 9 2 2m e t h o do nt h eo p t i c a lr a yt r a c e 9 2 2 1t h em o d e lo ft h e4 - o p t i c a lr a yt r a c e 9 2 2 2t h ec h a n g eo fo p t i c a lp a t h 11 2 2 3s t u d yo nr e f l e c t i o na n dr e f r a c t i o n 13 2 3t h em o d e lo f t h er e f r a c t i v ed e t e c t i o no f u l t r as m a l lv o l u m es a m p l e s 1 3 2 3 1t h em o d e lo f t h e6 - o p t i c a lr a yt r a c e 1 4 2 3 2t h e p r i n c i p l eo fm i b d 15 2 4c h a r p t e rs u m m a r y 16 c h a p t e r 3t h es y s t e mo fm ib d ：；1i n t r o d u c t i o n l 7 3 2t h el i g h ts o u r s e 17 3 3t h es y s t e mo f t e m p e r a t u r ec o n t r o la n da c q u i s i t i o n 19 3 3 1t h et e m p e r a t u r es e n s o r 1 9 3 3 2s e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o nd e v i c ea n di t sd r i v i n gc i r c u i t 2 2 3 3 3d a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o ls o f t w a r e 2 5 3 4t h e s y s t e mo fi m a g ea c q u i s i t i o n 2 7 3 5c h a r p t e rs u m m a r y 31 北京化丁人学硕：学位论文 c h a p t e r 4t h ea n a l y s i sa n dd i s c u s s t i o no ft h er e s u l t s 3 3 4 1i n t r o d u c t i o n 3 3 4 2t h ee x p e r i m e n t a ls e t u p 3 3 4 3t h et a r g e ts o l u t i o n 3 5 4 3 1t h es e l e c t i o no f t h et a r g e ts o l u t i o n 3 5 4 3 2t h ep r e p a r a t i o no f t h et a r g e ts o l u t i o n ”3 7 4 4e x p e r i m e n t a ld a t aa n da n a l y t i c a ld i s c u s s i o n 3 8 4 4 1i n t e r f e r e n c ep a t t e r na c q u i s i t i o n 3 8 4 4 2t h ea n a l y s i so f t h ed a t a 4 0 4 4 3t h ed i s c u s s i o no f t h er e s u l t s 4 2 4 5c h a r p t e rs u m m a r y 4 3 c h a p t e r 5c o n c l u s i o n 4 5 r e f e r e n c e a c k n o w l e g d e m e n t 4 7 4 9 t h ea c h i e v e m e n ta n dt h ep u b l i s h e da c a d e m i ct h e s i s 5 l 光强 吸收率 反射系数 透射系数 临界角 独立光线的相位 熔融石英折射率 样品溶液的折射率 中心频率 角频率 光程 体粘滞系数 布罩渊频移 微干涉后向散射探测 电耦合元器件 折射率 光束分析仪 中央处理器 正温度系数热敏电阻 负温度系数热敏电阻 温度系数 半导体制冷器 e i ij 吊0 电路板 微处理器单元 数字采集系统 通用串行总线 内径 v ，口尺丁晓p他咖一咖鼬姒洲m m职眦啪呲啪d 北京化工人学硕上学位论文 o d n a c l f f t r i u 外径 氯化钠溶液 快速傅立叶变化 单位折射率 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 环境监测和生物药品成分组成的快速测量已经成为当今社会科学研究非常热门 的一个课题。在许多国内重点高校以及相关的科研事业单位，这个研究方向已经成为 研究的重点课题，不论是国家方面还是相关科研单位都在环境监测的科学研究上有很 大的投资。在实际的监测过程中，应用一定的检测手段从而能够准确及时，而且全面 地监测出环境质量在当时的状况，并且通过科学的分析方法预测其未来的发展趋势， 从而能够为环境管理、污染源的控制以及环境的规划等相关领域提供一定的科学理论 依据。目自订，我国已经制定出了各类国家环境标准四百多项，其中覆盖了包括大气土 壤、水质、辐射、噪声和农药在内等相关的诸多领域，并且也已经丌始了类似于质量 周报、r 报、预报监测，污染源、污染事故的应急和污染物总量控制等与环境监测相 关类别的监测，由此可见国家在环境监测方面的高度重视程度。在环境监测的生物化 学的研究中，折射率的测量技术是一种很常见的测量技术，并且已经出现了很多检测 限很高的测量方法。可是，对于纳升体积溶液的折射率测量而言，高精度小型化的探 测器的研究依然面临巨大的挑战。基于这些考虑，我们在理论和实验的基础上，设计 了可以用来探测微体积液体折射率的探测器。这种探测器基于光学的方法，所有在测 量精度以及测量检测限的指标上表现都比较优异，对于进一步进行微体积液体探测的 相关研究就有重要的实践和指导意义。 1 2 干涉测量技术的发展 由于现在科学技术发展以飞一样的的速度进行，和早期的研究成果相比已经有了 长远的进步。干涉测量技术的应用在过去和现在都得到了非常广泛的应用。微电子学、 微光学以及工业制造在实际应用方面，对于精度和量程的要求越来越高，但是其他的 很多测量方法已经很难满足它们的要求。除此之外，干涉测量在其本身就具有高灵敏 度、高量程以及适应恶劣环境能力强等诸多优点，也就是基于以上这些优势考虑，光 学的测量方法在现代工业的实际应用方面非常普遍。目前，许多著名的仪器生产厂家 已经能够生产出比较成熟的干涉仪器产品，并且它们涉及的范围非常广泛。但是，干 涉仪及其系统和一般平时可以见到的测量工具是不一样的，如果没有一定的理论方面 的基础是很难j 下确操作使用的，更何况还会有更多的新的应用领域等着我们去研究， 对于学习和应用干涉仪具有很重要的意义1 1 , 2 , 3 】。 现代干涉技术【4 】是经过几个世纪的发展，并基于光学方面的全部知识而综合建立 北京化工人学硕 ：学位论文 起来的一门技术。在干涉仪发展的过程中，激光、光电探测和信号处理等技术起着十 分重要的作用。现代干涉仪是物理学和当今先进的科学技术有机结合的产物，是人类 辛勤和智慧共同的结晶。现代干涉仪的主要特征就是在实际应用中采用激光作为探测 光源，并且结合光学和电子信息科学的最新研究成果。现代干涉仪的几个主要的特点 是大量程、高分辨率、抗干扰能力强、高测量精度以及方便操作等，在实际的应用及 科学研究中具有举足轻重的地位。 光在满足一定条件的情况下，就会发生干涉现象。本论文就是基于干涉的原理， 在具体的实验系统中，利用同一光源，通过后向散射后产生干涉现象。从干涉的原理 出发，通过具体的在毛细管中注入不通的目标溶液，从而使干涉条纹发生变化，分析 变化情况，最终得出折射率变化的规律。 1 3 后向散射干涉法的发展状况 1 3 1 光散射技术和研究历史 在自然界中，光的散射对于我们来说是很常见的一个物理现象。例如，晴朗的天 空是蓝色的；下雨后，天空会出现五彩斑斓的彩虹以及在山间会经常出现太阳光呈现 出橙红色的现象，这些现象都是与光的散射有关系的。 光的散射现象最早的观测研究要追溯到1 6 世纪初，意大利文艺复兴时期的科学家 达芬奇当时预言说空气中微粒对光的散射使得天空呈现蓝色。丁泽尔效应是说当自然 光线照射到有悬浮粒子的液体物质上时，与入射光夹角为9 0 度方向上的散射光略微带 蓝色，呈现偏正特性【5 】。1 8 9 9 年，英国著名的科学家瑞利，他通过多年的研究得到了 瑞利公式【6 】，并且在1 9 0 4 年的时候获得了诺贝尔物理学奖。1 9 0 8 年的时候，英国的米 发现了这样一个现象，当微粒的实际尺寸与入射光的光波长等大或者是较大时，散射 光的强度与散射的角度有关系，而且与入射光的光波长没有关系【_ 7 1 。英国的汤姆孙在 他的研究中指出，入射平面的电子波产生的电场引起了电子发生自由振动，这样就加 速了电荷的偶极辐射，从而引起了散射，这个现象就是著名的汤姆孙散射。汤姆孙在 1 9 0 6 年因为他在实验中发现了电子是确实存在的，从而获得了当年的诺贝尔奖。1 9 0 8 年，波兰著名的科学家斯莫卢霍夫斯基通过探究均匀流体系统的光学散射现象，最终 得到了光的散射临界乳光现象【8 】。爱因斯坦在1 9 1 0 年的时候，从实验以及理论上研究 了流体介质体系的热起伏现象，证实了光散射起伏、散射光子和入射光子它们三者之 间的动量守恒关系。在2 0 世纪二十年代的时候，法国科学家布罩渊的主要研究方向就 是与声波有关的密度起伏的光散射【9 】。在介质分子与入射光的相互作用下，会引起了 声波发生多普勒频移现象，在入射光的两边频率会出现散射光边带，它们相互对称， 这就是著名的布里渊散射现象。美国科学家康普顿在1 9 2 2 年的时候发现，当一束高能 2 第一章绪论 入射光和电子产生散射后，会出现一个能量比较低的散射光子，并且同时会发射一个 反冲电子，这个现象就是著名的康普顿散射【l0 1 。康普顿本人也因为发现了单x 射线光 子和反冲的电子可以在同一时刻出现这样的效应，获得了1 9 2 7 年诺贝尔物理学奖。拉 曼也因为在1 9 2 8 年发现了拉曼散射现象】以及很多光散射相关的研究成果，获得了 1 9 3 0 年的诺贝尔物理学奖。同年，俄国的兰茨堡格和曼德尔斯塔也在研究石英晶体的 过程中，发现了相似的现象，并且称这种现象为“并合散射”【l2 1 。二十世纪三十到五 十年代，对于光的散射研究处于一个比较低潮的时期。主要的原因是因为当时的光源 比较弱，散射光的光强就更弱了，这样的话对于散射光的探测研究就会变的难度很大。 1 9 6 0 年，麦曼研制出了红宝石激光裂1 3 】，使得对于光的散射的研究迎来了新的春 天。由于激光器具有很多自身独有的优点，比如光的单色性好、功率密度大、方向性 很强，用它作为散射光的光源的话，激光的效率大大的提高了。 色散和光电转换系统的进展，大大提高了检测的水平。高质量的全息光栅在色散 能力的提高以及抑制杂散光能力方面，具有很强的优势。1 9 7 0 年，美国的贝尔实验室 研制出了首个c c d 器件【1 4 , 1 5 】，在之后的光电检测中，结合c c d 的光电转换装置很大的 提高了信噪比和光电的转换效率，甚至检测灵敏度提高了整整两个数量级。 光散射的研究工作不论是在国内还是国外都相当的活跃。各种关于光散射的会议 也很多，对于散射光的研究有很大的促进作用，也可见散射在光学的科学研究中是多 么的重要。 1 3 2 光散射的分类 当一束光照到物体介质上时，由于入射电磁波的作用，物质介质内的带电粒子、 质子和电子会产生振荡现象。受到电磁波加速作用的电荷会在各个方向上面辐射电磁 波，这就是所谓的“次级辐射”。光的散射过程我们可以通过用一个简单的公式来描 述： 散射= 激发+ 再辐射 在这里，受到光照后物质的再辐射就是光散射，受到激发后的电荷除了会通过再 辐射辐射电磁能以外，还会将入射电磁能中的一部分转变为其他形式的能量，例如转 变为热能，这些是与散射相关的吸收过程。 在标准的温度和气压的情况下，气体的分子间距平均大约为几十埃。固体和液体 分子间距在几埃或者十几埃之间。可见，它们的平均间距和可见光的波长( 几千埃) 相比而言要小几个数量级。在这些体系中，分子除了会受到入射场的作用之外，还会 受到其他分子在其周围产生的二次场作用，这个二次场和作用于分子上的射场有关。 北京化t 大学硕十学位论文 所以在实际中，我们所要分析研究的是分子间互相关联的一个电磁多体散射体系的问 题。在理论上，我们采用平均场代替多体形成的复杂场的作用，这样的话就可以用来 求解多体散射的问题。 “物理光学在每个方面实际都是光散射的一个例子 1 6 1 ，这是西尔弗曼在他的著 作中描述散射对于光学的重要性而写的。在物理现象中的许多现象，它们都是属于光 散射的范畴。当一束光照射到透明的介质物质上时，被照射的分子在其附近场会使这 个分子产生一个振荡偶极矩，由于它的振荡就会引起了次级偶极辐射。反射波是由介 质外面次级波的叠加而产生的。在介质内部，这些次级波会相互叠加，同时也会和入 射波叠加，这样就产生了折射现象。由此可见，光的折射和反射是一个与构成介质物 质的许多分子散射息息相关的一个物理过程。 光散射按照光线在散射的前后能量是否变化，分为非弹性光散射和弹性光散射两 种。因为光的能量是与其频率相关的。当二束频率为w 的照射到物体上，如果散射光 的频率与入射光的频率w 相等，那么就把这样的散射称为弹性散射，即散射前后 光的能量没有发生变化，这种情况和力学中的弹性碰撞是十分相似的，碰撞的前后能 量没有发生损失。如果散射光的频率眦与入射光的频率w 是不相等的，那么就称这 样的散射为非弹性散射，因为散射前后能量发生了变化。大家熟悉的瑞利散射和米散 射都属于光的弹性散射范畴。布早渊散射、康普顿散射和拉曼散射属于光的非弹性散 射。 如果从入射光的功率密度出发，光的散射分为线性( 自发光散射) 和非线性光散 射两大类。一般的布罩渊散射和拉曼散射就是自发光散射，即线性光散射。受激布罩 渊散射、受激拉曼散射、反拉曼散射、相干反斯托克斯拉散射和超拉曼散射，我们可 以将它们归类为非线性散射【1 7 , 1 8 , 1 9 。与线性散射相比，非线性光散射具有自己独有的 的许多优点，例如信噪比很高、抑制荧光和热辐射的能力很强相干性很好以及收集效 率高等很多优点。 光的散射如果按照散射光的角度的不同，可以分为后向散射、前向散射和侧向散 射【2 雌1 1 。发射光线的方向和接收折射光线方向之间的夹角叫做散射角。当散射角小于 9 0 度时，这样的散射叫做前向散射。后向散射是指散射角大于9 0 度的散射方式。 光散射技术的应用非常广泛，无论是物理学还是生物化学都扮演者很重要的角 色。用光散射方法检测物质的大小、组成和性质等方面，在过去几十年得到了迅速的 发展，尤其是纳米技术的发展，更是促进了散射技术的发展。 1 3 3 微干涉后向散射法 快速实时监测和探测极小容量液体样品的需求在不断的增加，主要涉及的两个领 域是环境监测和疾病的检查。通过可变结构的方法，可以通过引导样品到探测系统， 4 第一章绪论 从而减少探测物的数量、大小、成本，减小了探测器的体积。已经存在简单的光学系 统用来探测微体积液体。微干涉后向散射的技术中比较简单并且普遍采用的方法是通 过测量溶液的浓度的改变、溶液流速的改变或者是溶液温度的改变，从而测量出溶液 的折射率，并且这些方法的测量溶液都是纳米级的瞄2 3 ，2 4 1 。 激光 毛细管 一 划 i绘 谨 翻 下瓞 工 目标溶液 ( a ) 纹 巡 f 毛细管 终 芴蕊 探测器7 7 ( b ) 图1 1 轴线方向( a ) 和俯视方向( b ) 的实验原理图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cv i e wo ft h ee x p e r i m e n t a ls e t u ps e e ni s o m e t r i c ( a ) a n df r o mt h et o p ( b ) 当一束光照射到曲率半径很大的毛细管时，由于毛细管覆层和介质层的折射率不 同，光在各个介质界面上会发生折射和反射现象。当毛细管中的溶液的浓度发生改变 时，相当于溶液的折射率会改变，由于改变了毛细管中介质的折射率，所以光线在毛 5 北京化工人学硕1 二学位论文 细管中的折射和反射路径会发生改变，这样就会在不同的溶液浓度下产生不同的干涉 图像。通过这种介质层对光的影响，在垂直于毛细管中心轴的方向平面上会产生_ 圈 对比明显的明