一种利用单频调制激光辐照技术测量球形颗粒光谱复折射率的方法

摘要

一种利用单频调制激光辐照技术测量球形颗粒光谱复折射率的方法，属于颗粒光学特性测量技术领域。解决了现有的球形颗粒光谱复折射率测量方法仍然存在测量过程复杂和精确度低的问题。通过建立球形颗粒系频域反射信号和频域透射信号测量的正问题和逆问题求解模型，采用粒度分析仪测量得到颗粒系的粒径分布情况，最后基于这些信号结合逆问题求解技术获得颗粒的光谱复折射率在已知颗粒其他物性参数的前提下，结合频域辐射传输模型，运用Mie理论结合微粒群优化算法反演获得球形颗粒光谱复折射率的方法。本发明适用于测量颗粒的光谱复折射率。

主权项

1.一种利用单频调制激光辐照技术测量球形颗粒光谱复折射率的方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：步骤一、将待测颗粒装在有机玻璃样本容器中，将待测颗粒溶于溶液中，并搅拌均匀，使颗粒系处于悬浮流动状态；步骤二、利用脉冲宽度为t_p的波长为λ的角频率为ω的单频调制激光沿着与样本容器表面法线成θ_c角的方向入射到样本容器左侧表面；其中，10^-12≤t_p≤10^-9s，0<θ_c<π/2，400MHz<ω<800MHz，0.3μm<λ<2.5μm；步骤三、采用光电接收器在样本颗粒容器的左侧表面测量频域半球反射信号，在样本颗粒容器的右侧表面测量频域半球透射信号，并记录样本颗粒的左侧边界处的时频域半球反射信号和右侧边界处的频域半球透射信号步骤四、利用粒径分析仪测量样本颗粒系的粒径，并根据粒径的分布规律获得粒径分布函数P(D)；步骤五、利用待测颗粒光谱复折射率方程m(λ)=n(λ)+ik(λ)，通过待测颗粒的折射率范围对该待测物质的折射率n进行取值，通过待测颗粒的吸收因子的取值范围对该待测颗粒的吸收因子k进行取值，获得该种待测颗粒单个颗粒的光谱复折射率m(λ)；其中i为虚数单位；步骤六、通过现有Mie理论，利用步骤五获得的该种待测颗粒的光谱复折射率m(λ)，获得单个颗粒的光谱吸收截面C_abs,pred(D,λ)和光谱散射截面C_sca,pred(D,λ)；步骤七、利用步骤六获得的单个颗粒的光谱吸收截面C_abs,pred(D,λ)和光谱散射截面C_sca,pred(D,λ)，获得颗粒系的吸收系数κ_a(λ)和散射系数κ_s(λ)；步骤八、利用步骤七获得颗粒系的吸收系数κ_a(λ)和散射系数κ_s(λ)，通过对辐射传输方程求解，获得计算域内的辐射强度场I_c(ω,λ)；步骤九、通过公式：${\hat{R}}_{\mathrm{pred},\lambda }\left(\omega \right)=\frac{2\pi }{I_0}{\int }_{\pi /2}^{\pi }{\hat{I}}_{d,\lambda }(0,\theta ,\omega )\cos \theta \sin \mathrm{\theta d\theta }---\left(1\right)$${\hat{\tau }}_{\mathrm{pred},\lambda }\left(\omega \right)=\frac{1}{I_0}[2\pi {\int }_0^{\pi /2}{\hat{I}}_{d,\lambda }(L,\theta ,\omega )\cos \theta \sin \mathrm{\theta d\theta }+{\hat{I}}_{c,\lambda }(L{,\theta }_c,\omega )]---\left(2\right)$获得左侧边界的频域半球反射信号的估计值和右侧边界的频域半球透射信号的估计值式中I₀是频域激光的辐射强度峰值；为波长为λ角频率为ω的激光，在θ方向上x=0处的左侧边界上散射光的辐射强度，θ为辐射方向角；为波长为λ角频率为ω的激光，θ方向上x=L处的右侧边界上散射光的辐射强度，θ为辐射方向角；为波长为λ角频率为ω的激光，频域激光沿着入射方向θ_c衰减到样本右侧壁面时的辐射强度，θ_c为时频域激光入射方向角，L为样本厚度；步骤十、利用步骤三中光电接收器测量获得的左侧边界处的频域半球反射信号和右侧边界处的频域半球透射信号与步骤九中获得左侧边界的频域半球反射信号的估计值和右侧边界的频域半球透射信号的估计值获得目标函数F_obj；步骤十一、判断步骤十中的获得目标函数F_obj是否小于设定阈值ξ，若是，则将步骤五中对待测物质的折射率n的取值和对待测颗粒的吸收因子k取值，作为结果，完成利用单频调制激光辐照技术对球形颗粒光谱复折射率的测量，否则返回步骤五。