標(biāo)準(zhǔn)粒子在光散射研究中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)粒子；米氏散射

光的散射（scattering of light）是指光通過(guò)不均勻介質(zhì)時(shí)一部分光偏離原方向傳播的現(xiàn)象。偏離原方向的光稱為散射光。散射光頻率不發(fā)生改變的有瑞利散射、米氏散射和大粒子散射；頻率發(fā)生改變的有拉曼散射、布里淵散射和康普頓散射等。而標(biāo)準(zhǔn)粒子在光散射研究領(lǐng)域一般研究的是粒子的瑞利散射、米氏散射和大粒子散射，這三種散射劃分是根據(jù)入射光λ與散射粒子的直徑d之間的比例大小來(lái)確定的：

①當(dāng)散射粒子的直徑d與入射光波長(zhǎng)λ之比（d/λ）很小，即數(shù)量級(jí)顯著小于0.1 時(shí)，則屬于瑞利散射，散射光強(qiáng)與波長(zhǎng)的關(guān)系符合瑞利散射定律，即散射光強(qiáng)與入射光的波長(zhǎng)四次方成反比，與粒徑的六次方成正比。

②當(dāng)散射粒子粒徑與光波長(zhǎng)可以比擬（d/λ的數(shù)量級(jí)為0.1～10）時(shí)，隨著粒子直徑的增大，散射光強(qiáng)與波長(zhǎng)的依賴關(guān)系逐漸減弱，而且散射光強(qiáng)隨波長(zhǎng)的變化出現(xiàn)起伏，這種起伏的幅度也隨著比值d/λ的增大而逐漸減少，這種散射稱為米氏散射。

③當(dāng)粒子足夠大時(shí)（d/λ>10），散射光強(qiáng)基本上與波長(zhǎng)沒(méi)有關(guān)系，這種粒子的散射稱為大粒子散射，也可稱之為衍射散射（菲涅爾衍射與夫瑯禾費(fèi)衍射）。 瑞利散射可以說(shuō)是米氏散射理論模型在小粒子端的近似形式，而衍射散射也可以說(shuō)是米氏散射理論模型在大粒子端的近似形式，接下來(lái)我們將詳細(xì)了解標(biāo)準(zhǔn)粒子應(yīng)用于米氏散射理論對(duì)其光散射特性研究中，入射光波長(zhǎng)、標(biāo)粒直徑以及入射光偏振角對(duì)散射光強(qiáng)的影響。

1.入射光波長(zhǎng)對(duì)散射光強(qiáng)分布的影響

圖1.1 是相對(duì)折射率m=1.589/1.333，標(biāo)準(zhǔn)粒子直徑d=2μm，入射光偏振角φ=45°時(shí)，由Mie散射理論及其他相關(guān)公式編程計(jì)算得到的散射光強(qiáng)與散射角之間的變化關(guān)系曲線。對(duì)于直徑為2μm的聚苯乙烯微球在水中的散射情況，入射光偏振角為45°時(shí)，隨著入射波長(zhǎng)λ的增大，散射光強(qiáng)由主要集中在前向小角度內(nèi)（波長(zhǎng)λ為0.2um時(shí)散射光強(qiáng)主要集中在10°散射角內(nèi)）逐漸變?yōu)榧性谇跋蛏源蠼嵌葍?nèi)（波長(zhǎng)λ為0.8um時(shí)散射光強(qiáng)主要集中在30°散射角內(nèi)），若繼續(xù)增大波長(zhǎng)，散射光強(qiáng)集中的角度也將繼續(xù)增大。從圖1.1可以看出，波長(zhǎng)較短時(shí)散射光強(qiáng)主要集中在前向小角度內(nèi)，并且波長(zhǎng)越短散射光強(qiáng)集中的角度越小。

圖1.1：當(dāng)m=1.589/1.333，d=2μm，φ=45°時(shí)，對(duì)應(yīng)于不同的波長(zhǎng)，散射光強(qiáng)與散射角間的關(guān)系曲線。

2.聚苯乙烯微球直徑對(duì)散射光強(qiáng)分布的影響

圖2.1是用可見波段中的0.65μm波長(zhǎng)的入射光，在偏振角為45°時(shí)，聚苯乙烯微球在水中的散射光強(qiáng)與散射角的變化關(guān)系曲線。由圖可以看出，微粒直徑越大散射光強(qiáng)越集中分布在前向小角度內(nèi)，粒徑大于2μm的粒子的散射光強(qiáng)主要集中在前向散射角約20°內(nèi)，因此在此種條件下收集前向小角度的散射光強(qiáng)即可獲得粒子的較好信息。

圖2.2是入射光波長(zhǎng)為6μm，偏振角45°時(shí)，聚苯乙烯微球在空氣中的散射光強(qiáng)與散射角的變化關(guān)系曲線。由圖可知，所用波長(zhǎng)較大時(shí)，較大粒子的散射光強(qiáng)不再集中在前向小角度內(nèi)而是集中的角度逐漸變大，例如粒徑大于8μm的粒子的散射光強(qiáng)主要集中在前向散射角約40°內(nèi)。    

圖2.1：當(dāng)m=1.589/1.333， λ=0.65μm， φ=45°時(shí)，對(duì)應(yīng)于不同的粒徑，散射光強(qiáng)與散射角間的變化曲線  

圖2.2：當(dāng)m=1.589， λ=6μm， φ=45°時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的微粒直徑，散射光強(qiáng)與散射角間的關(guān)系曲線。     

3.入射光偏振角對(duì)散射光強(qiáng)分布的影響

圖3.1是入射光波長(zhǎng)為0.65μm，直徑為0.2μm的聚苯乙烯微球在空氣中的散射光強(qiáng)與散射角的變化關(guān)系曲線。由圖可以看出，此種情況下入射光的偏振角不同散射光強(qiáng)與散射角間的關(guān)系曲線有很大變化，散射光強(qiáng)分布比較分散，說(shuō)明此時(shí)散射光強(qiáng)的角分布與偏振光的偏振角有關(guān)。  

圖3.1當(dāng)m=1.589， λ=0.65μm， φ=0.2μm時(shí)，對(duì)應(yīng)于不同的偏振角，散射光強(qiáng)與散射角間的變化曲線。

4.結(jié)論

以上為應(yīng)用米氏散射理論針對(duì)聚苯乙烯微球標(biāo)準(zhǔn)粒子的光散射性質(zhì)進(jìn)行的分析，得出以下結(jié)論： （1）波長(zhǎng)較短時(shí)散射光強(qiáng)主要集中分布在前向小角度內(nèi)，并且波長(zhǎng)越短散射光強(qiáng)集中分布的角度越小。收集前向小角度的散射光可大致反映粒子散射信息。 （2）進(jìn)行聚苯乙烯微球標(biāo)粒散射方面的研究時(shí)，應(yīng)該選擇可見光波段中波長(zhǎng)較短的作為光源，這樣既可以得到較好的粒子散射信息，又可以避免光源對(duì)人體造成傷害。 （3）粒子直徑較大時(shí)散射光強(qiáng)主要集中分布在前向小角度內(nèi)，并且粒子直徑越大散射光強(qiáng)越集中分布在小角度內(nèi)；若所用波長(zhǎng)較大時(shí)，較大粒子的散射光強(qiáng)不再集中分布在前向小角度內(nèi)而是集中分布的角度逐漸變大。

參考文獻(xiàn)：

1.李建立.基于光散射的微粒檢測(cè).煙臺(tái)大學(xué)理學(xué)院碩士論文，2009：22-25.