液态吸收介质下球形颗粒表观光学特性的研究

工学博士学位论文液态吸收介质下球形颗粒表观光学特性的研究哈尔滨理工大学2014年6月国内图书分类号TP2163工学博士学位论文液态吸收介质下球形颗粒表观光学特性的研究博士研究生丁国超导师周真申请学位级别工学博士学科、专业精密仪器及机械所在单位测控技术与通信工程学院答辩日期2014年6月授予学位单位哈尔滨理工大学CLASSIFIEDINDEXTP2163DISSERTATIONFORTHEDOCTORDEGREEINENGINEERINGSTUDYONTHEAPPARENTOPTICALPROPERTIESOFSPHERICALPARTICLESINLIQUIDABSORBINGMEDIUMCANDIDATEDINGGUOCHAOSUPERVISORZHOUZHENACADEMICDEGREEAPPLIEDFORDOCTOROFENGINEERINGSPECIALITYMEASURINGANDTESTINGTECHNOLOGIESANDINSTRUMENTSDATEOFORALEXAMINATIONJUNE,2014UNIVERSITYHARBINUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY哈尔滨理工大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明此处所提交的博士学位论文液态吸收介质下球形颗粒表观光学特性的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读博士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名日期年月日哈尔滨理工大学博士学位论文使用授权书液态吸收介质下球形颗粒表观光学特性的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读博士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密，在5年解密后适用授权书。不保密请在以上相应方框内打作者签名日期年月日导师签名日期年月日液态吸收介质下球形颗粒表观光学特性的研究摘要光与颗粒物相互作用一直是研究的热点问题，光与颗粒物相互作用时会产生散射、透射、反射等现象，而这些光学现象与颗粒物粒径等自身属性存在着紧密的联系。MIE散射理论为研究球体和电磁波之间的相互作用提供了理论依据。许多学者研究了高效的算法以及开发了相应的计算程序，来得出准确的球形粒子的单散射特性。在传统的MIE公式中，包含球形颗粒的介质被假设为是一个非吸收性介质，而在很多情况下，介质为吸收性介质，那么在此前提下须对传统的MIE散射定律进行修正。在光散射的工程应用中，须对远场的散射强度作精确计算，而在吸收介质条件下经典的MIE散射定律所计算得到的散射光强与实际测量值存在差异，因此有必要研究吸收介质中颗粒物的表观光学特性。目前国外对表观光学特性的研究还属于理论分析阶段，而将表观光学特性应用到粒径测量等工程领域，并解决工程应用中间的科学问题是目前表观光学特性研究的重要方向。本文从追溯吸收介质下颗粒的表观光学参量方程出发，以牛乳脂肪模拟液为研究对象，对其表观光学特性做了深入研究，得到了两种溶剂下脂肪颗粒的表观光学参量，量化了表观光学参量与MIE光学参量之间的差异。并研究了表观光散射现象与介质折射率虚部间的内在联系，确定了表观光学特性工程应用中的折射率虚部临界值。通过对颗粒物粒径解析实现表观光学特性的工程应用。主要的研究内容包括1追溯了液态吸收介质下颗粒的表观光学参量方程，采用牛乳脂肪模拟液为研究对象，对乙酸乙酯和乙醇胺两种溶剂下脂肪颗粒表观光学特性及MIE散射特性做了仿真对比分析，量化了牛乳脂肪模拟液的表观散射系数与MIE散射系数之间的差值，计算结果表明，在同一波长同种介质条件下，二者之间的差值变化不大，这说明表观光学特性的变化规律与MIE光学特性的变化规律可比拟。研究了介质折射率虚部与表观光学现象之间的内在联系，给出了工程应用介质中质折射率虚部的临界值，小于此临界值，表观光学现象可忽略，在工程应用中可使用MIE光学参量。I2建立了基于表观光学参量的颗粒粒径解析方程。首先分析了光全散射法测量颗粒粒径的理论基础，此方法中光学参数的计算都是基于经典的MIE散射方程，而对于吸收介质，应采用吸收介质下表观光学参数代替经典的MIE光学参数，这给予该方法很好的理论补充，可提高反演方程解的准确性。推演了基于表观光学参量的颗粒粒径解析方程，通过自行设计的仿真系统对该方程所得结果作了仿真研究，绘制了不同波长激发时，基于MIE光学参量的粒径曲线及基于表观光学参量的粒径曲线，并对二者做了分析，分析结果表明，基于表观光学参量所获得的粒径值与基于MIE光学参量获得的粒径值之间存在差异，前者所得的值较小。3研究了液态介质下颗粒粒径测量的影响因素。首先建立了光学实验系统，包括光源、样品池、光电元件的选择及输运恒温系统的设计。完成了被测物及介质的选择。配制了牛乳脂肪模拟液，以乙酸乙酯和乙醇胺两种吸收介质进行溶解，并对其进行了均质预处理，使得其粒径分布趋于均匀，确定了模拟液的最优配制浓度。以自行设计的光学实验系统为平台，确定了散射光接收角度、模拟液激发波长、最优测量温度等因素。4对吸收介质下颗粒的表观光学特性及粒径解析方程的实验验证。首先验证了吸收介质下球形颗粒的表观光学特性，结果表明，依据表观光学特性计算的散射光强与实际值更为接近。对比分析了基于MIE散射的粒径解析方程获得的粒径测量值与基于表观散射的粒径解析方程获得的粒径测量值，分析结果表明，前者求得的粒径平均值偏大，可以说明，表观散射对颗粒粒径的测量存在影响，且通过实验证明，基于表观散射的粒径解析方程精度较高，具备工程应用价值。关键词表观光学特性；MIE散射；吸收介质；折射率虚部；粒径IISTUDYONTHEAPPARENTOPTICALPROPERTIESOFSPHERICALPARTICLESINLIQUIDABSORBINGMEDIUMABSTRACTTHEINTERACTIONBETWEENLIGHTANDPARTICLESHASALWAYSBEENARESEARCHHOTTOPICSCATTERING,TRANSMISSION,REFLECTIONANDOTHEROPTICALPHENOMENAWILLBEPRODUCEDINTHEINTERACTIONALLOFTHESEPHENOMENAARECLOSELYRELATEDWITHTHEPARTICLESOWNPROPERTIES,SUCHASTHEPARTICLESIZE,ETCTHEMIESCATTERINGTHEORYPROVIDESTHETHEORETICALBASISFORSTUDYINGTHEINTERACTIONBETWEENTHESPHEREANDTHEELECTROMAGNETICWAVEMANYSCHOLARSHAVESTUDIEDTHEEFFICIENTALGORITHMANDDEVELOPEDTHECORRESPONDINGCOMPUTERPROGRAMTOCOMETOTHESINGLESCATTERINGCHARACTERISTICSOFSPHERICALPARTICLESACCURATELYINTHETRADITIONALMIEFORMULA,THEMEDIUMCONTAININGSPHERICALPARTICLESISASSUMEDTOBEANONABSORBENTMEDIUMHOWEVER,MEDIUMISREGARDEDASABSORBENTINMANYCASES,SOITISNEEDEDTOCORRECTTHETRADITIONALMIESCATTERINGLAWONTHISPREMISEINTHEENGINEERINGAPPLICATIONSOFLIGHTSCATTERING,SCATTERINGINTENSITYINTHEFARFIELDMUSTBECALCULATEDACCURATELY,BUTINTHECONDITIONOFTHEABSORBENTMEDIUM,THEREEXISTDIFFERENCESBETWEENTHESCATTERINGINTENSITYCALCULATEDINCLASSICMIESCATTERINGLAWANDTHEACTUALMEASUREMENT,SOITISNECESSARYTOSTUDYTHEAPPARENTOPTICALPROPERTIESOFPARTICLESINTHEABSORBENTMEDIUMCURRENTLY,STUDYONTHEAPPARENTOPTICALPROPERTIESINTHEWESTISATTHETHEORETICALANALYSISSTAGE,SOTHEAPPLICATIONOFAPPARENTOPTICALPROPERTIESTOTHEMEASUREMENTOFPARTICLESIZEANDOTHERENGINEERINGFIELDS,ANDSOLVINGSCIENTIFICPROBLEMSINENGINEERINGAPPLICATIONAREASIGNIFICANTSTUDYDIRECTIONOFAPPARENTOPTICALPROPERTIESTHISPAPERTRACEDBACKTOTHEAPPARENTOPTICALPARAMETRICEQUATIONOFPARTICLESINTHEABSORBINGMEDIUM,CHOSETHESIMULATEDMILKFATASTHERESEARCHOBJECT,ANDDEEPLYSTUDIEDITSAPPARENTOPTICALPROPERTIES,OBTAININGTHEOPTICALPARAMETERSOFTHEFATPARTICLESINTHETWOSOLVENTANDQUANTIFYINGTHEDIFFERENCESBETWEENTHEAPPARENTOPTICALPARAMETERSANDTHEMIEOPTICALPARAMETERSTHEINTERNALRELATIONSHIPBETWEENTHEAPPARENTSCATTERINGPHENOMENONANDTHEIIIIMAGINARYPARTOFTHEREFRACTIVEINDEXOFTHEMEDIUMISALSOSTUDIEDANDTHECRITICALVALUEOFTHEIMAGINARYPARTOFTHEREFRACTIVEINDEXINTHEENGINEERINGAPPLICATIONOFTHEAPPARENTOPTICALPROPERTIESISDETERMINEDTHEAPPLICATIONOFTHEAPPARENTOPTICALPROPERTIESINTHEENGINEERINGAPPLICATIONISREALIZEDBYANALYZINGTHEPARTICLESIZETHEMAINRESEARCHCONTENTSINCLUDE1TRACINGBACKTOTHEAPPARENTOPTICALPARAMETRICEQUATIONOFPARTICLESINTHELIQUIDABSORBINGMEDIUM,THEPAPERCHOSETHESIMULATEDMILKFATASTHERESEARCHOBJECT,ANDMADETHESIMULATIONANDCONTRASTIVEANALYSISONTHEAPPARENTOPTICALPROPERTIESANDMIESCATTERINGPROPERTIESOFFATPARTICLESINTHETWOSOLVENTOFETHYLACETATEANDETHYLALCOHOL,QUANTIFYINGTHEDIFFERENCEBETWEENTHEAPPARENTSCATTERINGCOEFFICIENTANDMIESCATTERINGCOEFFICIENTOFTHESIMULATEDMILKFATTHECALCULATIONRESULTSSHOWTHATINTHECONDITIONOFTHESAMEWAVELENGTHANDTHESAMEMEDIUM,THEDIFFERENCEISSMALL,WHICHINDICATESTHATTHECHANGINGRULESOFTHEAPPARENTSCATTERINGPROPERTIESANDMIESCATTERINGPROPERTIESCANBECOMPARABLETHEINTERNALRELATIONSHIPBETWEENTHEIMAGINARYPARTOFTHEREFRACTIVEINDEXOFTHEMEDIUMANDTHEAPPARENTOPTICALPHENOMENAISALSOSTUDIED,ANDTHECRITICALVALUEOFTHEIMAGINARYPARTOFTHEREFRACTIVEINDEXOFMEDIUMINTHEENGINEERINGAPPLICATIONISWORKEDOUTIFITISLESSTHANTHECRITICALVALUE,THEAPPARENTOPTICALPHENOMENACANBENEGLECTEDANDTHEMIEOPTICALPARAMETRICCANBEUSED2THEANALYTICEQUATIONOFPARTICLESIZEHASBEENWORKEDOUTBASEDONTHEAPPARENTOPTICALPARAMETERSFIRSTLY,THEPAPERANALYZEDTHETHEORETICALFOUNDATIONOFMEASURINGTHEPARTICLESIZEWITHTHEMETHODOFLIGHTSCATTERING,INWHICHTHECALCULATIONOFOPTICALPARAMETERSISBASEDONTHECLASSICALMIESCATTERINGEQUATIONSASFORTHEABSORBINGMEDIUM,THEMIEOPTICALPARAMETERSAREREPLACEDWITHTHEAPPARENTOPTICALPARAMETERS,WHICHISATHEORETICALSUPPLEMENTTOTHEMETHOD,THUSTOIMPROVETHEACCURACYOFINVERSIONEQUATIONSECONDLY,THEANALYTICEQUATIONOFPARTICLESIZEISDEDUCTEDBASEDONTHEAPPARENTOPTICALPARAMETERSANDTHESIMULATIONSTUDYONTHERESULTOFTHEEQUATIONISMADETHROUGHTHESELFDESIGNEDSIMULATIONSYSTEMLASTLY,EXCITEDBYDIFFERENTWAVELENGTH,THEPARTICLESIZECURVESBASEDONTHEMIEOPTICALPARAMETERSANDTHEAPPARENTOPTICALPARAMETERSAREDRAWNANDANALYZEDTHEANALYSISRESULTSSHOWTHATTHEREEXISTDIFFERENCESONTHEPARTICLESIZEBASEDONTHEAPPARENTOPTICALPARAMETERSANDTHEMIEOPTICALPARAMETERS,THEFORMERISSMALLER3THEINFLUENTIALFACTORSONMEASURINGTHEPARTICLESIZEINTHELIQUIDMEDIUMIVARESTUDIEDFIRSTLY,ALIGHTEXPERIMENTSYSTEMISBUILT,INCLUDINGTHELIGHTSOURCE,SAMPLEPOOLS,THESELECTIONOFOPTOELECTRONICCOMPONENTSANDTHEDESIGNOFTHETRANSPORTSYSTEMWITHCONSTANTTEMPERATURESECONDLY,THESIMULATEDMILKFATISPREPAREDANDDISSOLVEDWITHTWOKINDSOFABSORBINGMEDIUMOFETHYLACETATEANDETHYLALCOHOLHOMOGENEOUSPREPROCESSINGISMADETOMAKETHEPARTICLESIZEWELLDISTRIBUTED,DETERMININGTHEOPTIMUMSIMULATIONSOLUTIONCONCENTRATIONLASTLY,WITHTHESELFDESIGNEDOPTICALEXPERIMENTSYSTEMASAPLATFORM,THERECEIVINGANGLEOFTHESCATTEREDLIGHT,THEEXCITEDWAVELENGTHOFTHESIMULATION,THEOPTIMALMEASUREMENTTEMPERATUREANDOTHERFACTORSAREDETERMINED4THEEXPERIMENTALVERIFICATIONOFTHEAPPARENTOPTICALPROPERTIESANDTHEANALYTICEQUATIONSOFPARTICLESIZEINTHEABSORBINGMEDIUMARECONDUCTEDFIRSTLY,THEAPPARENTOPTICALPROPERTIESOFSPHERICALPARTICLESINTHEABSORBINGMEDIUMAREVERIFIED,ANDTHERESULTSSHOWTHATTHESCATTERINGINTENSITYCALCULATEDONTHEAPPARENTOPTICALPROPERTIESISCLOSERTOTHEACTUALVALUESECONDLY,THECORRECTNESSOFTHEPARTICLESIZEANALYTICEQUATIONBASEDONTHEAPPARENTOPTICALPARAMETERSISVERIFIEDANDTHERESULTSSHOWTHATINCONTRASTWITHTHEACTUALVALUE,THEPARTICLESIZEDIFFERENCEOBTAINEDFROMTHEEQUATIONISLESSTHANTHATOBTAINEDFROMTHEMIEOPTICALPARAMETERS,TOILLUSTRATE,THEAPPARENTSCATTERINGINFLUENCEMEASUREMENTOFPARTICLESIZE,ANDPROVEDBYEXPERIMENTS,MEASUREMENTOFPARTICLESIZEBASEDONTHEAPPARENTSCATTERINGPARTICLESIZETHEHASHIGHERACCURACY,HASENGINEERINGAPPLICATIONVALUEKEYWORDSAPPARENTOPTICALPROPERTIESMIESCATTERINGABSORPTIONIMAGINARYPARTOFREFRACTIVEINDEXPARTICLESIZEV目录摘要IABSTRACTIII第1章绪论111选题背景及研究意义112液态吸收介质下颗粒物的选取413有关光散射理论的几个基本物理量514颗粒物光学特性及其工程应用的研究现状5141国外发展现状6142国内发展现状715表观光学特性应用研究中存在的科学问题1016课题的来源及研究内容10161课题来源10162课题的主要研究内容10第2章介质吸收与表观光学特性的关系研究1221近场条件下吸收介质中颗粒的MIE光学参量的推演1222液态吸收介质中颗粒的表观光散射参量1623吸收介质下颗粒MIE光学参量与表观光学参量对比分析1824吸收介质折射率虚部临界值的确定2425本章小结27第3章吸收介质下颗粒粒径解析方程的建立2831颗粒的粒径2832颗粒物粒径测量的主要方法2933光全散射法颗粒粒径测量原理研究3534吸收介质中颗粒粒径方程的建立3635颗粒粒径测量仿真系统的建立39351仿真光源的确定40352样品、样品池及光接收器的仿真41353整体仿真效果4336颗粒粒径的仿真结果4437本章小结46第4章颗粒粒径测量影响因素的实验研究4741液态介质下颗粒光学实验系统设计47411驱动半导体激光器的恒流源性能分析48412输运恒温系统的设计52413光电元件的选择5442被测颗粒物及吸收介质的选择55421被测颗粒物的选择55422吸收介质选择及模拟液的配制56423牛乳脂肪模拟液的均质优化研究58424牛乳脂肪模拟液的最优配制浓度6143散射光接收最优角度的选取6344最优激发波长的选取6545测量温度的确定6746本章小结68第5章表观光学特性及粒径解析方程的实验验证7051实验平台及条件的确定7052表观散射光强与MIE散射光强的量化差值实验7153基于表观散射系数粒径解析方程的实验验证7654本章小结78结论79参考文献81附录89攻读博士学位期间所发表的学术论文90致谢91CONTENTSABSTRACTINCHINESE错误未定义书签。ABSTRACTINENGLISH错误未定义书签。CHAPTER1INTRODUCTION错误未定义书签。11BACKGROUNDANDSIGNIFICANCEOFTHESUBJECT错误未定义书签。12THESELECTOFSPHERICALPARTICLESUNDERLIQUIDABSORBINGMEDIUM错误未定义书签。13AFEWBASICPHYSICALTHEORYABOUTLIGHTSCATTERING错误未定义书签。14DEVELOPMENTOFTHEOPTICALPROPERTIESOFPARTICULATEMATTERANDITSENGINEERINGAPPLICATIONS错误未定义书签。141ACTUALDEVELOPMENTSTATEABROAD错误未定义书签。142ACTUALDEVELOPMENTINCHINA错误未定义书签。15SCIENTIFICPROBLEMSEXISTSINTHERESEARCHOFAPPARENTOPTICALPROPERTIES错误未定义书签。16CONTENTANDSOURCESOFTHESUBJECT错误未定义书签。161SOURCESOFTHESUBJECT错误未定义书签。162MAINCONTENTOFTHESUBJECT错误未定义书签。CHAPTER2RESEARCHOFTHERELATIONSHIPBETWEENDIELECTRICABSORPTIONANDAPPARENTOPTICALPROPERTIES错误未定义书签。21DEDUCTIONOFMIEOPTICALPARAMETRICUNDERNEARFIELDABSORPTIONMEDIUMPARTICLESCONDITIONS错误未定义书签。22SCATTERINGPARAMETEROFAPPARENTOPTICALPROPERTIESOFPARTICLEINLIQUIDABSORBINGMEDIUM错误未定义书签。23COMPARATIVEANALYSISOFMIEPARTICLESABSORBINGMEDIUMUNDEROPTICALPARAMETRICANDTHEAPPARENTOPTICALPARAMETRIC错误未定义书签。24DETERMINEOFTHECRITICALVALUEOFTHEREFRACTIVEINDEXOFTHEABSORBINGMEDIUMIMAGINARYPART错误未定义书签。25BRIEFSUMMARY错误未定义书签。CHAPTER3ESTABLISHEDOFTHEDESORPTIONEQUATIONUNDERABSORBINGMEDIUMPARTICLESIZE错误未定义书签。31THESIZEOFPARTICLES错误未定义书签。32THEMAINMEASURINGMETHODSTHESIZEOFPARTICLES错误未定义书签。33PRINCIPLESTUDYOFPARTICLESIZEMEASUREMENTBYTOTALLIGHTSCATTERING错误未定义书签。34ESTABLISHOFTHEPARTICLESIZEEQUATIONBASEDONTHEABSORPTIONCOEFFICIENT错误未定义书签。35ESTABLISHOFTHEMEASUREMENTSIMULATIONSYSTEMOFTHEPARTICLESIZE错误未定义书签。351DETERMINEOFTHESIMULATIONLIGHTSOURCE错误未定义书签。352SIMULATIONOFSAMPLE,THESAMPLECELLRECEIVERANDLIGHT错误未定义书签。353THEOVERALLEFFECTOFSIMULATION错误未定义书签。36THESIMULATIONRESULTSOFPARTICLESIZE错误未定义书签。37BRIEFSUMMARY错误未定义书签。CHAPTER4EXPERIMENTALSTUDYOFFACTORSAFFECTINGTHEMEASUREMENTOFPARTICLESIZE错误未定义书签。41EXPERIMENTALPARTICLEOPTICALSYSTEMDESIGNUNDERLIQUIDMEDIUM错误未定义书签。411SEMICONDUCTORLASERDRIVINGCIRCUITPERFORMANCEANALYSIS错误未定义书签。412TRANSPORTANDCONSTANTTEMPERATURESYSTEMDESIGN错误未定义书签。413SELECTINGTHEPHOTOVOLTAICELEMENT错误未定义书签。42THECHOICEOFMEASUREDPARTICLEANDMEDIUM错误未定义书签。421THECHOICEOFMEASUREDPARTICLE错误未定义书签。422THECHOICEOFMEDIUMANDTHEPREPARATIONOFSIMULATIONSOLUTION错误未定义书签。423THESTUDYOFHOMOGENIZATIONOPTIMIZATION错误未定义书签。424OPTIMALPREPARATIONCONCENTRATIONMILKFATSIMULANTS错误未定义书签。43SELECTIONOFTHEOPTIMALANGLEOFSCATTEREDLIGHTRECEIVING错误未定义书签。44SELECTINGOPTIMALWAVELENGTHOFLIQUIDMILKFATPARTICLESIMULATION错误未定义书签。45STUDYONTHEEFFECTOFTEMPERATUREONTHESCATTERINGLIGHTINTENSITYGAIN错误未定义书签。46BRIEFSUMMARY错误未定义书签。CHAPTER5TABLEEXPERIMENTALVERIFICATIONOFVIEWOPTICALPROPERTIESANDPARTICLESIZEANALYTICALEQUATION错误未定义书签。51TODETERMINETHEEXPERIMENTALPLATFORMANDCONDITIONS错误未定义书签。52QUANTITATIVEDIFFERENCEVIEWOFEXPERIMENTALSCATTERINGANDMIESCATTERINGINTENSITY错误未定义书签。53EXPERIMENTALVERIFICATIONOFMILKFATPARTICLESIZEANALYTICALEQUATION7654BRIEFSUMMARY78CONCLUSION79REFERENCES81APPENDIX89PAPERSPUBLISHEDINTHEPERIODOFPHEDUCATION90ACKNOWLEDGEMENTS91吸收与散射与颗粒的粒度参数第1章绪论11选题背景及研究意义颗粒是自然界中普遍存在的微小固体、液体或气体，它们或分散在液态介质中亦或分散在气态介质中形成两相或多相物质。在自然界中，许多物质以颗粒状态存在，其构成了丰富多彩有形世界的一个侧面1。如大气中的霾属于气态介质下的颗粒物，牛乳蛋白、脂肪大分子属于液态介质下的颗粒物。颗粒态物质涉及到化工、冶金、动力、建筑、医药、生物、食品、航天、军事等多个领域。当光与不同介质下的颗粒相互作用时，会发生透射、散射、反射等光学现象。颗粒物的形状、粒径大小等其本身的固有属性均影响着光在包含该颗粒物的介质中的传播。如晴朗的天空呈现蓝色，其原因就是由于空气中的尘埃对蓝光存在强烈的散射，而存在这种强烈散射的原因是尘埃颗粒平均粒径与蓝光的波长可比拟。许多微米/纳米级大小的天然粒子，在光散射计算过程中其形状可近似为球形。而球形微粒对入射光的ZHIKUQUAN20150721有密切关系，所谓粒度参数的数学表达式为2A0，式中A为球形粒子的半径，0为入射光的波长。不同的散射理论适用于不同粒度参数的粒子，目前经典的散射定律主要包括MIE散射定律，瑞利散射定律及夫朗和费衍射定律，如表11所示。表11主要的光散射定律TABLE11MAJORLAWOFLIGHTSCATTERING散射定律颗粒形状适用粒径范围MIE球形亚微米至微米瑞利散射定律球形微米至纳米夫朗和费衍射定律球形微米至毫米从表11可以看出，MIE散射理论主要用于从亚微米至微米的尺寸段的微粒；颗粒粒径在微米以下至纳米的光散射则近似为形式更明晰简单的瑞利散射定律；而对大于微米至毫米的超大粒子则可近似为意义明确的夫朗和费衍射规律。而本课题所研究的颗粒粒径范围处于MIE散射定律的适用范围。MIE利用宏观电磁场方程讨论了平面波入射于球形粒子时光的传播，得到1了经典MIE散射定律。MIE方程为研究球体和电磁波之间的相互作用提供了理论依据，很多学者对该方程的快速计算方法做了深入研究，准确得出了不同种类球形粒子的单散射特性。该定律已经解决了许多工程应用问题，如光全散射法粒径测量过程中消光系数的计算2,3、角散射法粒径测量过程中任意角度散射光强的计算等4,5。但传统的MIE公式中介质被假设对光不存在吸收，例如空气，而在很多情况下，介质可能包含显著吸收的成分。例如，大气中的臭氧和二氧化碳有很强的吸收带，分别在96M和15M波长的区域。那么，如果颗粒分布在具有吸收能力的介质中，就需要对经典的MIE散射方程进行修正。几位学者612对吸收介质下的MIE方程做了研究，推演了修正的MIE方程，如表12所示。表12不同学者对MIE光学参量研究的贡献TABLE12THEDIFFERENTCONTRIBUTIONSTOMIEOPTICALPARAMETRICSTUDY学者颗粒、介质主要贡献1908年MIE球形、非吸收经典MIE光学参量，适用于非吸收介质1974年MUNDY1977年CHYLEK1979年BOHREN和GILRA球Z形HI、K吸U收QUAN20通1过50远72场1近似获得修正的MIE光学参量2001年YANG球形、吸收通过近场方法获得修正的MIE光学参量，并计算了APPARENTCROSSSECTION2006年FU球形、吸收通过近场方法获得修正的MIE光学参量，计算了APPARENTOPTICALPROPERTIES从表12可以看出，MUNDY79等人利用远场近似的方法获得了消光系数、散射系数、吸收系数等光学参量。YANG10及FU11等人通过近场的方法推演了消光系数、散射系数、吸收系数等光学参量方程。由于远场近似的方法依赖于概念性积分球的半径，基于近场方法获得的光学参量更为准确，但工程应用中，所观测的都是远场光强，因此有必要获得精确的远场光学特性，此光学参量即是FU提出的“APPARENTOPTICALPROPERTIES”12。由于在表观光学特性研究中涉及到近场及远场的概念，图11形象说明了电磁波辐射近场与远场的区别，由图可以看出，距离颗粒1个波长范围内认为是近场，距离颗粒远大于1个波长认为是远场。“APPARENTOPTICALPROPERTIES”首先由FU于2006年提出，但在国内外的研2究中并没有对此研究成果给予足够的重视。他很好的整合了前人对吸收介质中MIE散射的研究成果，推演了吸收介质下球形颗粒的MIE光学参量方程，并重新定义了远场的精确吸收系数即表观吸收系数，该吸收系数考虑了近场散射对光传播的影响，与实际情况更为接近。国内学者至今没有关于“APPARENTOPTICALPROPERTIES”的研究，鉴于目前没有中文对照，本文将“APPARENTOPTICALPROPERTIES”定义为“表观光学特性”，表观光学特性对应的表观光学参量包括表观散射系数、表观吸收系数和表观消光系数，以下同。本课题组前期在对牛乳脂肪模拟液浓度测量的研究过程中发现，光强测量值与MIE理论计算值之间存在差异，存在表观光学现象，与FU的研究契合。ANTENNASOURCENEARFIELDREACTIVE2RADIATEDWAVETRANSITIONZONEFARFIELDNEARFIELDZHRAIDIAKTUIVEQUAN20150721/20159图11电磁波辐射的近场与远场示意图FIG11SKETCHMAPOFELECTROMAGNETICWAVERADIATIONINNEARFIELDANDFARFIELDFU对吸收介质下颗粒的表观光学特性做了较深入的理论研究，从理论上证明了表观散射系数等光学参量与MIE散射系数等光学参量间存在着差异。从课题组前期研究结果中发现，在颗粒测量等工程应用中存在着表观光学现象的问题，即发现MIE理论计算所得的光强值与实际测量不符，因此需将表观光学特性引入到工程应用研究中，解决散射光强值的精确计算问题。通过表观光学参量代替经典MIE散射参量将提高颗粒测量模型所得解的精度。本文选择前期有工作基础的牛乳脂肪模拟液为研究对象，通过课题组前期的研究可知，牛乳脂肪颗粒可近似为球形颗粒，其粒径范围在01M10M之间，符合MIE散射定律适用的粒径范围，而表观光学特性是基于MIE散射定律提出的，因此符合表观光学特性适用的粒径范围。配制模拟液过程中，选择有吸收特性的介质作为溶剂，即该溶剂的折射率虚部不为零，本文选择乙酸乙酯和乙醇胺作为溶剂，二者对入射光均存在吸收。因此，牛乳脂肪模拟液是很有典型3意义的研究对象，适合表观光学特性的研究。综上，吸收介质下颗粒表观光学特性的研究具有坚实的理论背景及很好工程应用潜力，有必要对其进一步深入研究并解决它在工程应用过程中的一些关键问题。从课题的选题背景可以看出，经典的MIE散射方程其适用范围具有局限性，对于吸收介质下颗粒光学参量的精确计算，须对MIE散射方程进行修正。因此，工程上对颗粒物粒径等参数的研究中，MIE散射方程仅适用于包含颗粒的介质是非吸收介质时的情况。若包含颗粒的介质存在对入射光的吸收，工程上就需要应用本文提出的表观光学参量来代替经典的MIE光学参量。因此，颗粒表观光学特性的研究具有很强的工程实践意义。自然界中的颗粒体系一般由多种颗粒构成，其分布在介质中形成多相物质，多相颗粒物粒径、浓度等物理量的测量一直是检测的难点，而对多相颗粒光学特性的研究要基于对单相颗粒光学特性的研究。本文研究的吸收介质下颗粒的表观光学特性是多相颗粒光学特性研究的理论铺垫，具有重要的理论意义。本课题旨在通过引入吸收介质下颗粒的表观光学特性，解决吸收介质下颗粒物工程测量上的科学问题，为表观光学特性的工程应用奠定理论基础。在以往研究成果的基础上，拟定牛ZH乳I脂KU肪Q颗UA粒2为01研50究72对1象，通过对其光散射过程的研究，量化了表观光学特性与MIE光学特性间的差异。提出表观光学特性工程应用临界点的概念，并给出了牛乳脂肪颗粒在633NM波长下表观光学现象的临界点。通过对光全散射法测量粒径的原理分析，给出相应的理论补充。以颗粒物表观光散射参量为基础，推演出液态吸收介质下颗粒物粒径尺寸解析方程，使通过该方程计算得到的颗粒粒径尺寸的解与真实值更为接近。通过自制的光学实验系统，验证了牛乳脂肪模拟液的表观光学特性及粒径解析方程解的准确性。本文的研究成果可广泛应用于吸收介质下颗粒物粒径测量等工程应用领域，对粒径的精密测量提供理论支持。12液态吸收介质下颗粒物的选取液态吸收介质下颗粒物表观光散射特性需要一具体物质进行验证。标准物质是一种材质均匀，性能稳定的物质，其某个化学或物理性质如粒径经过准确的测定，并附有权威部门对其准确度的认定，用于与物质特性有关的测试中，如校准测量仪器，评价测量方法等，从而使测量结果准确、可靠。绝大多数标准颗粒均为球形状态，且具有良好的单分散性，粒径分布范围非常窄。目前在4颗粒粒径测量领域，国际上使用最为广泛的是聚苯乙烯标准颗粒1，尤其是应用在光全散射法测量重建算法的验证。由于本文颗粒物研究的前提是要该颗粒溶于液态吸收介质，在相关文献中与此相关的报道很少。而课题组前期对牛乳大分子颗粒的光学属性进行了多年研究，对牛乳脂肪颗粒的光学性质比较熟悉，牛乳脂肪大分子对光存在强烈的散射作用，且溶解脂肪颗粒的有机溶剂属液态吸收介质的范畴，可代表液态吸收介质下的颗粒物。牛乳脂肪作为牛乳中重要的营养成分，其粒径及浓度的测量方法一直是研究的热点，快速准确测量其粒径具有重要的工程实用价值。综上，本文选择牛乳脂肪颗粒作为研究对象。13有关光散射理论的几个基本物理量在研究光散射现象时，常需要用到或求解一些基本的物理量，它们是描述分析光散射现象所不可或缺的。这些基本的物理量包括介质折射率，散射系数，吸收系数，消光系数，散射振幅函数和强度函数。在对吸收介质下颗粒表观光学特性研究过程中会使用这些物理量，而且这些物理量对于工程上应用光散射相关理论也非常重要。这ZH几I个KU物Q理UA量N包20括15，07折21射率、散射系数、吸收系数、消光系数等。表13将对这几个基本物理量作简要说明表13光散射理论的基本物理量TABLE13BASICPHYSICALQUANTITIESOFLIGHTSCATTERINGTHEORY物理量数学表达式参数说明介质折射率MMRMIIMR代表折射率的实部，MI代表折射率的虚部散射系数Q1C1/S其中C1为散射截面，S为颗粒的投影面积吸收系数Q2C2/S其中C2为吸收截面，S为颗粒的投影面积消光系数Q3Q1Q2消光系数为散射系数与吸收系数之和14颗粒物光学特性及其工程应用的研究现状对有关不同介质下颗粒的光学特性的研究一直科学界的热点问题。非吸收介质或吸收介质下颗粒的散射特性被很多学者所研究。虽然光与颗粒之间相互作用的理论很早就被提出，但随着计算机等科学技术的快速发展及各学科间的相互渗透，光散射理论得到了快速的发展，以光散射理论为基础的各种测量方法亦得到了广泛的应用。5141国外发展现状MIE理论的提出，掀开了光与颗粒物散射研究的新纪元。很多学者1322把MIE理论在各个领域中完善、扩展，解决诸如数值计算等一系列问题，而且文献1617均是2005年后的文献，可以看出关于MIE散射方程的研究一直在继续。但研究均局限于非吸收介质条件下颗粒散射特性的研究。1974年WCMUNDY等人首次推演了吸收介质下颗粒的MIE方程，在经典非吸收介质下颗粒MIE理论基础上，采用远场近似的方法获得了吸收介质下颗粒的MIE光学参量，拓展了MIE理论的应用范围7。1977年PCHYLEK同样采用远场近似的方法研究了吸收介质下小颗粒的光散射特性8。1979年CFBOHREN等同样采用基于远场近似的方法研究了在吸收介质下球形颗粒的消光特性9。文献79充分考虑了介质吸收对光传播的影响，但远场近似的方法依赖于概念性积分球的半径，因此得到的结果不够准确。之后很多年针对吸收介质中MIE方程的研究一直停滞不前，直到2001年QIANGFU等人采用近场的方式推演了吸收介质下球形颗粒的MIE理论，相较于MUNDY等人的研究更进了一步，所得到的结果更能真实地反映光与吸收介质下颗粒的相互作用过程10。2002年YANG发表了研究颗粒物固有和表观散射的文章，提出了表观ZH散I射KU截Q面UAN的2概01念50，72计1算了吸收介质中颗粒的固有和表观散射所对应的散射、吸收及消光截面。尤其难得的是此研究考虑了球体是否带有涂层11。2006年QIANGFU等人进一步考虑近场非指数性吸收对颗粒吸收系数的影响，得到吸收介质下颗粒的表观散射、吸收及消光系数12。文献1012对分布在吸收介质中的颗粒在近场的光学特性作了研究，得到了相应的光学参量，特别是文献12在文献11提出的表观散射截面的基础上进一步提出表观光学参量的概念，对经典的MIE理论作了大量的补充，本文首次将此特性引入国内，以期在颗粒物粒径测量等工程应用中发挥作用。以往颗粒粒径测量的研究内容主要集中在在线测量的实现以及颗粒粒径分布的反演两个方面。特别是光全散射粒径测量方法得到了很好的发展。1996年，MRAPHAEL等对光全散射法用于在线检测的可行性以及限制条件进行了系统的阐述23。同年，MALLOSENT则采用紫外可见光源测量了工业橡胶颗粒的粒径分布，使得在此光谱区内光全散射法颗粒粒径的测量下限可以达到40NM24。1997年，FFERRI采用修正的CHAHINE算法反演颗粒粒径分布，并在他所设计的消光法测量装置中进行了实验验证25。1999年，NLSWANSON等对LAMBERTBEER定律的限制条件进行了进一步的研究，指出只要通过合理控制光程和探测器的接收角，就可以有效抑制散射光的干扰，从而保证了LAMBERTBEER定律可以在中6高浓度的颗粒系中对粒径分布进行测量26。同年，MKANDLIKAR等对基于光散射法大气气溶胶粒子粒径分布的几种反演算法进行了较为概括性的评述，文中同时指出了每种反演算法的限制条件以及计算效率27。2000年，EMARIOTH等采用三波长消光法在线测量了超临界状态下CO2的粒径分布，该方法减弱了超临界状态下温度和压力对粒径分布反演结果造成的影响，实测结果与离线测量结果非常吻合28。2001年，MZLI等采用神经网络方法反演了粒径服从LN分布的颗粒系的粒径分布，这种反演算法可以实现较高浓度下粒径分布的测量，并且该方法易于进行粒径分布的在线测量29。2003年，JRVEGA等将消光法与角度散射法相结合共同反演聚合物乳胶颗粒的粒径分布。采用这种方法可以获得更多关于粒径的信息，从而降低了反演方程的不适定性30。2005年，MKOCIFAJ等对不规则颗粒粒径分布的反演进行了探讨，指出非球形颗粒按照等体积球形模型求解的可靠程度31。2006年，ODUBOVIK等研究了将随机取向的椭球模型用于计算沙漠灰尘颗粒散射系数的可行性32。2007年，ZASETSKY等利用实测的中红外消光光谱数据反演大气气溶胶的粒径分布，并对反演结果的不确定度以及影响反演结果准确性的主要因素进行了分析33。2008年，HERM