折反式激光粒度测量方法

激光粒度仪因其快速、非接触等优点被广泛应用于各领域的粒度分布测量,但颗粒散射光的角分布与粒度大小关系复杂。为了获得不同粒度下的相对精度一致,通常会造成粒度分布测量范围小、无法满足宽分布粒度测量要求等问题。根据Mie散射近似的菲涅尔原理,提出采用折反式光路,将颗粒散射信号由分光镜分成两束,经两组组合式镜头和2个光电探测器分别采集透射和反射的散射信号,信号组合后经反演得到颗粒粒度分布,从而提高了可测粒度范围。采用两种标准粒子及其混合物进行了实验,结果表明,单种标准粒子测量结果的体积中位径D50的测量相对误差都不大于7.9%;对混合粒子也能够得到正确的峰值分布。     

用全固态激光器和一维CCD测定微粒粒径

建立了一套利用线阵CCD探测散射光强从而测定粒径的实验装置.该装置采用线阵CCD取代传统的同心环探测器,并采用一台小尺寸全固态绿光激光器取代传统的He-Ne激光器.理论上采用全Mie氏散射理论,自行编写了实验数据的计算机拟合程序,可以由实验测得的散射光强角分布反演求出粒径分布信息.对粒径分别为4.91 μm和9.88 μm的聚苯乙烯小球均取得了良好的粒径测量结果.该装置被证实可用于测定的粒径范围为0.7 μm～44.0 μm.     

群体粒子散射光偏振特性的研究

在Mie散射理论的基础上分析了群体粒子散射的偏振特性,并用两种不同直径(0.26 μm,0.55 μm)的球形粒子作为散射介质进行了相关实验,比较了群体粒子散射光垂直与水平偏振光的偏振度.实验发现:散射光的偏振度随粒子直径的变化呈现出一定的规律性,直径大的粒子散射光在水平方向的偏振度小于直径小的粒子;而垂直方向的偏振度却完全相反,直径大的粒子大于直径小的粒子.     

散射光声探测技术及其成像方法

为了实现强散射样品的光声显微成像,提出了一种散射光声显微成像新技术。利用散射光声效应原理,成功设计研制了散射光声探测器。散射光声探测器由散射光声腔、耦合腔、微通道以及微音器组成。利用该探测器探测样品的散射光声信号,然后结合共焦扫描成像技术实现了强散射样品的光声显微成像,获得了二氧化硅微球和口腔上皮细胞等各种不同散射样品的光声显微图像。实验结果表明,散射光声显微成像技术可以极大地改善图像对比度和增强图像边缘,对于工业、大气等方面的微粒直径测量具有重要的应用意义。     

氘化物阴极真空弧放电光斑分布

氘化物真空弧放电在许多领域均有应用,如无损检测、石油探井、中子活化分析等。和金属阴极不同,氘化物阴极放电时会释放大量的气体分子,表现出许多不同性质。采用放大镜头和ICCD相机观察了氘化物阴极真空弧放电光斑分布。测量系统的空间分辨率约为5 μm,时间分辨率最小2 ns。放电脉冲半高全宽（FWHM）0.9 μs,弧流波形为半周期正弦波。实验结果表明,氘化物真空弧放电时,所有阴极斑聚集为一个群落,表现为一个大光斑;在液滴作用下,阴极斑群落偶尔也会分裂为两个或多个群落;光斑形状不受弧流影响,但面积和亮度会随弧流增加而增大。氘化物阴极放电斑点聚集有利于产生高密度等离子体,提高放电效率。     

基于MATLAB与LabVIEW的 Mie散射参数分析系统

针对激光散射法测量0.1 m~10 m微小球形颗粒过程中,Mie散射理论各参数的分析、计算、最优化选取比较复杂和繁琐,通过收敛速度、折射率和尺度参数测量范围、叠加次数的比较,采用球形粒子Mie散射参量的MATLAB改进算法, 结合MATLAB较强的计算能力和LabVIEW良好的图形化界面,进行LabVIEW和MATLAB混合编程。设计了Mie散射理论参数分析系统,系统实现散射系数的计算,并分别对散射系数与颗粒直径关系曲线、散射强度分布曲线、入射光波长与散射光强关系曲线、颗粒直径与散射光强关系曲线、入射光偏振角与散射光强关系曲线进行分析。通过实验结果和结论对比验证系统可行,且散射系数、消光系数和散射光强的计算结果可精确到小数点后17位,从而达到减少大量计算和编程工作的目的。     

含氘电极真空弧等离子体空间分布特性诊断研究

真空弧放电等离子体含有多种离子成分,并且各离子在空间上具有不同的分布规律.本文针对金属氘化物电极真空弧离子源,搭建了一台紧凑型磁分析装置,用来研究放电等离子体中氘离子与金属离子的空间分布.当离子源弧流为100 A左右时,该装置能有效地传输引出束流,并且具有较好的二次电子抑制效果,可准确获得各离子流强.利用该装置测量并获得了氘化钛含氘电极真空弧放电等离子体内氘离子和钛离子空间分布规律,结果表明:径向上,氘离子和钛离子都呈高斯分布,但氘离子分布均匀,而钛离子相对集中在轴线附近,导致轴线附近氘离子比例最低;轴向上,所有离子数量都以自然指数函数减少,而且相对幅度接近,所以氘离子比例几乎不变.本文研究结果不仅有助于理解真空弧放电等离子体膨胀过程,还可以指导金属氘化物电极真空弧离子源及其引出设计.     

环状PIN阵列测量全口径背向散射光空间分布的实验研究

基于由同心环状排布的多个 PIN 探测器组成的环状 PIN 阵列,发展了一种测量激光等离子体全口径背向散射光空间分布的实验方法.采用该方法,在神光Ⅱ装置激光与黑腔靶相互作用实验中,对全口径背向散射光空间分布进行了测量,获得了全口径受激 Brillouin 散射背向散射光空间分布的图像.初步建立了全口径背向散射光空间分布...     

水滴粒径散射测量中的快速反演方法研究

针对汽轮机低压缸中水滴的平均尺度的实时测量问题,提出了一种用于从水滴散射光强分布中快速反演水滴粒径参数的半经验理论方法.根据米氏(Mie)散射理论,数值计算了不同水滴尺度对应的散射相函数曲线,并在前向小角度范围内,通过高斯函数拟合得到Mie散射理论的近似解析解,进而拟合得到水滴粒径随高斯函数参数变化的半经验理论公式.在...     

气溶胶激光散射信号的特征分析

本文应用Mie散射理论对微球体粒子光散射的性质进行了理论分析与数值计算,得出了散射光分布与微球体尺度参数、复折射率之间的关系。结果表明:不同尺度参数的粒子的散射光强的分布相差极大,随着尺度参数的增加散射光强越来越集中于前向;复折射率的变化对散射光强影响不大。并且在边界层大陆乡村型霾的气溶胶模型下对大气气溶胶的体角散射系数进行了分析与数值计算,得出:气溶胶粒子的散射光强主要分布在前向,并且随着散射角的增加有规律的减小。由此提出了利用气溶胶粒子体散射系数的性质,通过测量散射点前向散射光强和延迟时间来实现激光束的近轴定位的方法。     

均匀球形液滴二阶和五阶彩虹的重建及应用

从理论和实验两方面研究了不同温度下球形液滴的彩虹强度分布及在粒度测量中的应用。研究结果表明折射率为 1.33附近液滴在 117°～ 134°散射角范围内的散射强度分布不是单一的二阶彩虹强度分布 ,而是二阶和五阶彩虹的干涉强度分布。基于散射强度频谱特点 ,提出了一种从干涉强度谱中重建二阶和五阶彩虹强度分布的方法 :逆快速傅里叶变换 (IFFT)。利用洛伦兹米理论 (LMT)模拟计算了温度为 2 0℃和 80℃下水粒子二阶彩虹的高频结构与粒子直径的关系 ,获得了经验公式。该关系式可用来测量确定温度下均匀水粒子直径。还利用激光彩虹测试系统测量了水柱二阶彩虹角度范围内的散射强度分布。上述理论研究结果与实验结果进行了比较 ,两者吻合得很好。基于上述研究 ,可以从单一阵列探测器获取的彩虹信号提取不同阶次彩虹分布 ,用于液滴多参量的反演测量。     

基于Mie光散射理论的尾流气泡前向散射光特性研究

实验中利用CMOS图像传感器代替传统的光电探测器接受前向散射光,由几何光学和图像处理分析得出不同散射角的散射光与采集图像中的光环相对应.通过计算各个光环的所有像素值的总和就可以得到前向散射光光强的相对值,进而可以得出前向散射光光强变化规律.根据米氏（Mie）光散射理论可以计算出气泡各个方向的散射光光强,通过比较实验结果和Mie理论计算结果可以看出,采用CMOS图像传感器探测和图像处理技术可以准确地得出散射光强度的变化规律.     

用基于方位分辨的漫后向散射光确定粒子尺寸分布及相对折射率

基于偏振门技术,提出了利用漫后向散射光随线偏振光入射方位的变化来测量双层模型表层的粒子尺寸分布及相对折射率。双层物理模型用来模拟上皮组织,上层分别由聚苯乙烯小球或HeLa细胞悬浮液组成,下层由脂肪乳溶液组成,每层的光学特性与上皮组织光学特性匹配。根据米氏(Mie)散射理论,建立了与散射体形态参量相关的偏振后向漫散射强度随入射偏振方位变化的理论模型,并采用浮点遗传算法反演程序获得表层粒子的尺寸分布(PSD)及相对折射率。将理论值和实验测量值进行比较。研究结果表明通过测量随方位变化的后向漫散射光的偏振差分信号,能够获得类上皮组织模型表层的形态结构信息。     

用Mie氏散射理论测量聚苯乙烯微球的折射率

采用全Mie氏散射理论，计算单色平行光被该球粒散射后的光强图案分布.在实验上，把聚苯乙烯小球分散在纯净水中，使其浓度满足光的透过率为70%左右的条件，然后测量单色平行光通过该样品比色皿后的远场衍射图样的第一暗环角半径的数值大小.将该测得的角半径大小同上述采用全Mie氏散射理论计算的不同折射率下的散射光强角分布曲线图相比较，选出与测得的第一暗环角半径大小符合最好者，从而得到国家标准物质聚苯乙烯小球相对于分散剂纯净水的折射率大小，最后得到聚苯乙烯小球的折射率为1.6.本研究为该标准样品提供了一个重要光学参数.     

基于图像动态光散射的二维纳米颗粒粒度测量

提出了一种基于图像动态光散射原理测量二维纳米颗粒粒度的新方法,称为平移转动-图像动态光散射(TR-IDLS)法。采用会聚的偏振高斯光束照射样品池中处于布朗运动的二维纳米粒子,分别采集纳米粒子的水平偏振散射光信号和垂直偏振散射光信号。根据两个偏振方向上散射光光强波动的时间相关函数,计算出纳米颗粒的平移和转动扩散系数的分布,进而从扩散系数中获得颗粒的长宽比、等效直径和厚度的分布。采用该方法测量了球形标准纳米颗粒和片状云母颗粒的粒径。采用电镜获得了片状云母颗粒的形状和等效直径,并与TR-IDLS方法的实验结果进行比较,验证了TR-IDLS方法的可行性。     

基于Mie散射理论的颗粒粒度分布转换

使用动态光散射法可以获得颗粒的光强加权平均粒径,以及光强加权颗粒粒度分布。为获得数量或体积加权颗粒粒度分布,提出从光强分布到数量分布转换的直接比值法。该方法首先依据Mie散射理论求解不同粒径颗粒的散射光强,然后将光强分布与对应颗粒的散射光强进行比对,获得颗粒的数量分布,进而得到颗粒的体积分布。使用动态光散射法测量得到聚苯乙烯乳胶球混合样品的光强分布,利用直接比值法将光强分布转换为数量分布和体积分布,并与扫描电子显微镜测量的数量分布进行了对比,实验数据表明采用直接比值法能够获得准确的数量分布。     

关于折射率对散射光场分布影响的研究

根据Mie散射理论,采用理论计算和实验相结合的手法,研究了光散射现象以及散射介质的折射率对散射光场分布的影响.通过对空气中不同折射率的散射介质形成的散射光场光强的实验比较,论证了散射介质折射率的实部变化对散射光强的影响不大,其主要影响是通过对相位的变化来实现的,也即散射介质折射率的虚部变化对光强的影响很大,在实际应用中不可忽略.这一结论对以散射光场的分布为基础的各种研究具有一定的指导意义.     

基于一阶彩虹区域高斯光散射的液滴测量

为实现雾化过程中局域内单液滴的测量,采用德拜级数展开研究了高斯光照射下球形液滴一阶彩虹区域的散射光强分布,以及高斯光束腰大小对光强分布峰值角度的影响.根据德拜级数展开计算的散射光强分布反演液滴的折射率和粒径,证明了根据高斯光的彩虹散射反演液滴信息的可行性.基于广义洛伦兹-米氏理论计算一阶彩虹区域的总光强分布,根据总光强分布反演液滴折射率和粒径,讨论了高斯光束位置对反演液滴信息的影响.对于半径在200~1 000μm区间的液滴,高斯光束位于中心入射时,反演折射率的误差小于2.38×10-4,粒径的相对误差在-3.31%~3.31%之间.与采用平行光彩虹技术相比,采用高斯光束为入射光可以得到较高的光能聚集区,较好地定义测量区大小,既可以有效避免多个液滴同时出现在测量区的情况、减小颗粒之间复散射的影响,又可以提高信号强度.     

微粒子的线度对Mie散射光强度影响的研究

根据Mie散射理论,研究了粒子线度对Mie散射光强的影响,不同性质的粒子,其影响效果不同,在固定入射波长条件下,散射光强随粒子线度呈周期变化,同时发现H2O微粒子散射光强峰峰间距与粒子的线度和波长的关系可简单的表示为Δa=-0.133 3+0.222λ.     

模拟气泡幕激光近轴前向散射照度分布

从Mie散射理论出发,利用单气泡散射理论模型研究了激光前向散射特性以及激光前向散射光轴周围激光照度分布状态。选用波长为632.8 nm的激光,在不同介质和不同压强下测量并分析了气泡幕的散射光照度。研究表明,激光前向散射光主要分布在离光轴0.588的范围内,其沿激光光轴呈轴对称分布,并且沿光轴方向截面分布为高斯分布;在考虑水体自身散射时,0.006 MPa、0.008 MPa和0.010 MPa下,各个散射角被散射掉的光大概占激光前向散射照度的35%、45%和55%,可得到无论考虑水体自身散射与否,激光前向散射光与压强皆成反比。