浑浊介质微粒运动特性的完整、高分辨测试方法

摘要

本发明公开了一种浑浊介质微粒运动特性的完整、高分辨测试方法。首先，根据微粒光散射理论，结合散斑图特征值与微粒运动间的解析关系，利用动态散斑测试光路实现对浑浊介质“溶液→胶体→沉淀”过程中微粒运动特性的连续、完整、实时检测；同时，采用飞秒激光测试光路，对该过程中微粒运动的不同临界点进行瞬态研究，获得浑浊介质微粒瞬态动力学行为的高时空分辨分析；两者结合，最终实现对浑浊介质“溶液→胶体→沉淀”过程中微粒运动图像的完整而又具有高时空分辨特点的测试。该方法是一种非接触、高精度、实时在线检测方法，具有操作简单、适用范围广的特点，可广泛应用于医学、制药及化工生产等领域。

主权项

一种浑浊介质微粒运动特性的完整、高分辨测试方法，其特征在于包括如下步骤：(1)准备待测浑浊介质溶液：准备好需要检测的浑浊介质溶液，量取一定体积的溶液，将其置于光学比色皿中；(2)选择合适的连续波激光器、准直扩束器、起偏器、第一会聚透镜、第一检偏器及CCD相机，布置动态散斑测试光路，其中，连续波激光器的工作波长在400nm～700nm的范围内选择；CCD相机与光轴成一定夹角，以避免饱和曝光，CCD相机通过数据线与计算机连接；(3)选择合适的飞秒激光器、偏振分束器、反射镜、第二检偏器、第二会聚透镜、KDP晶体、光阑及锁相放大器，布置飞秒激光测试光路：其中飞秒激光器的输出波长在520‑750nm范围内选择，脉冲宽度为5‑100fs，重复频率为1kHz，脉冲能量为5‑100nJ，反射镜的选择以不改变光线的偏振特性为依据，锁相放大器与计算机相连；(4)打开连续波激光器的电源，激光器发出的激光束，经准直扩束器后变为平行光，然后，经过起偏器变为线偏振光，垂直照射在浑浊介质样品上，携带微粒运动信息的前向散射光经第一会聚透镜会聚，通过第一检偏器后进入CCD相机成像；(5)同时，利用(2)中的CCD相机以不低于50fps的速率记录动态散斑图像，经图像采集卡采集后存储进计算机，进行实时分析监测；(6)通过加热、加化学反应试剂的方法来控制浑浊介质溶液“溶液→胶体→沉淀”变化的进程；(7)根据微粒光散射理论，通过对散斑图像特征值的分析，实时分析微粒尺寸、形貌运动特性；若散射光强度与波长的四次方成反比关系，则为瑞利散射，此时散射微粒的线度比入射波长小得多，以散斑图对比度作为特征值进行研究；当微粒线度大于入射波长时，散射规律由Mie散射理论描述，此时以散斑尺寸大小作为特征值对微粒的凝聚、絮结运动特性进行表征；(8)通过旋转第一检偏器偏振角来探测微粒不同偏振方向的散射光，利用散斑图像的偏振度信息来获取微粒旋转取向的动力学特性；(9)利用动态散斑测试光路，通过对浑浊介质溶液“溶液→胶体→沉淀”过程的连续动态散斑分析，实现对微粒运动特性的完整检测；(10)检测过程中，当散斑图特征值发生剧烈变化时，说明此时出现微粒运动的临界点，应对其细节进行显微研究；此时，通过计算机控制，开启飞秒激光测试光路进行瞬态高分辨分析；该飞秒激光测试光路采用改进的马赫‑泽德分振幅干涉光路，飞秒激光脉冲经偏振分束器后分为两路；其中，一路为透射光分量，作为物光直接照射在被测样品上，经第二检偏器、反射镜后照射在第二会聚透镜上；另一路为反射光分量，作为参考光，经过两个全反镜产生一可调的时间延迟，然后照射在第二会聚透镜上；物光与参考光经会聚后在KDP晶体中汇合，产生和频光信号；和频光经过光阑后由锁相放大器接收，然后存储进计算机进行处理；(11)锁相放大器的采集频率与飞秒激光的测试频率相同，以保证对飞秒信号的准确记录；通过对飞秒超短信号的分析，能够得到包含微粒平均自由程在内的瞬态高分辨运动信息；通过分析信号的互相关强度和相位分布，解析出微粒的瞬态动力学行为；通过旋转第二检偏器的偏振角度来获取微粒不同方向的瞬态信息；(12)针对“溶液→胶体→沉淀”过程中微粒运动的不同临界点进行一系列瞬态过程研究，获得浑浊介质微粒瞬态运动的高时空分辨显微分析；结合浑浊介质微粒运动的动态散斑表征，最终实现对浑浊介质溶液“溶液→胶体→沉淀”过程中微粒运动图像的完整而又具有高时空分辨特点的测试。