*，Mie氏散射理論主要用于從亞微米至微米的尺寸段，在微米以下至納米的光散射則近似為形式更明晰簡單的瑞利散射定律，而對大于微米至毫米的大粒子則近似為意義明確的夫瑯和費衍射規(guī)律。用這些定律可成功解釋各類散射現(xiàn)象，并指導顆粒的粒度分布的測試技術(shù)，Mie氏散射理論是對處于均勻介質(zhì)中的各向均勻同性的單個介質(zhì)球在單色平行光照射下的Maxwell方程邊界條件的嚴格數(shù)學解，它是目前顆粒測試中的主流理論。

下面我們在分析國內(nèi)外顆粒散射理論和測試技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計了一套采用光子技術(shù)測量亞微米量級顆粒散射信息的實驗系統(tǒng)來對Mie氏散射理論進行更加深入的研究。為了將亞微米乃至納米范圍內(nèi)的顆粒更加地測量其粒徑大小，實驗中采用光子技術(shù)，合理地設(shè)計樣品池與入射光之間的角度，很好地提高了實驗精度，得到與Mie 理論吻合較好的結(jié)果,并創(chuàng)新提出采用光纖探頭結(jié)合光電倍增管與光子計數(shù)器作探測器的粒度儀,較有限環(huán)靶更好地適用于亞微米顆粒的粒度測試,并可更好的和計算機接口,提高測試水平，從而大大提高了小顆粒粒度測量的分辨能力,并在此基礎(chǔ)上探測性地研究新一代亞微米顆粒檢測儀器。

該研究采用高時空分辨率觀測技術(shù)，以物理模擬結(jié)合實驗測量為主要研究手段。采用He-Ne激光光源照射到均勻分散的顆粒上，用光纖接受散射信號，通過光電倍增管將散射信號放大后，用光子計數(shù)器來測量激光作用下各微粒的散射信息。通過對散射信號的分析計算，可得到所測場中顆粒物理參數(shù)的定量結(jié)果。

本實驗采用的光路示意圖如下：

圖1  Mie散射實驗光路圖

如圖1所示，進行Mie氏散射實驗，zui主要的問題就是如何將顆粒的散射光信號進行更加的探測，圍繞這一主要問題我們將實驗光路進行了更為周密的設(shè)計，其中主要表現(xiàn)在本次實驗引入了光子技術(shù)，采用光纖采集散射信號，經(jīng)過光電倍增管將信號放大后并通過光子計數(shù)器表征出來，這樣一來我們可以探測到極為微弱的散射光，大大提高了探測精度；同時為了防止雜散光的出現(xiàn)，我們將激光器置于整個散射系統(tǒng)的外部，僅讓激光通過一個小孔進入散射系統(tǒng)，這也為探測到準確的散射信號提供了有力的保障。

入射光線與樣品池之間夾角的確定

為什么要確定樣品池與入射光線之間的夾角，在這里說明一下，首先我們看一下當光線垂直樣品池入射的情況，如圖2所示，n0 =1，n1=1.33， n2=1.5圖1  Mie散射實驗光路圖

如圖1所示，進行Mie氏散射實驗，zui主要的問題就是如何將顆粒的散射光信號進行更加的探測，圍繞這一主要問題我們將實驗光路進行了更為周密的設(shè)計，其中主要表現(xiàn)在本次實驗引入了光子技術(shù)，采用光纖采集散射信號，經(jīng)過光電倍增管將信號放大后并通過光子計數(shù)器表征出來，這樣一來我們可以探測到極為微弱的散射光，大大提高了探測精度；同時為了防止雜散光的出現(xiàn)，我們將激光器置于整個散射系統(tǒng)的外部，僅讓激光通過一個小孔進入散射系統(tǒng)，這也為探測到準確的散射信號提供了有力的保障。

入射光線與樣品池之間夾角的確定

為什么要確定樣品池與入射光線之間的夾角，在這里說明一下，首先我們看一下當光線垂直樣品池入射的情況，如圖2所示，n0 =1，n1=1.33， n2=1.5

圖2  垂直入射示意圖

當入射光線垂直入射到樣品池上時根據(jù)折射定律有

其中θ1為散射光在樣品池透明壁外的入射角，θ2為散射光在樣品池透明壁內(nèi)的折射角，θ0為散射光在樣品池透明壁外的折射角。在此所說的散射角就是指散射介質(zhì)內(nèi)的入射光與散射光在順時針方向上的夾角，為了方便我們暫以與入射光之間的銳角來討論，由式子可以得出如下結(jié)論：

（1）由于所以散射光在樣品池的內(nèi)表面不會發(fā)生全反射，而在散射光由玻璃射入空氣時會發(fā)生全反射，那么我們可以計算出當θ0=90°即全反射時的臨界角為   θmax=48.75°，也就是說當散射角大于θmax時的散射光我們就無法探測到了。考慮到在散射區(qū)360°范圍內(nèi)探測散射信號時，經(jīng)過計算探測的盲區(qū)就是48.75°―131.25°和228.75°―311.25°，因此也就失去了很多有用的信息，為了使上述盲區(qū)的信息能夠探測到，我們特做如下調(diào)整：

圖3  入射光線與樣品池夾角的確定示意圖

如圖3所示，我們讓入射光以θ角入射到樣品池，入射光經(jīng)過兩次折射進入散射介質(zhì)，以散射介質(zhì)內(nèi)的入射光為標準，順時針方向上散射光與該入射光之間的夾角即為散射角。由圖3可以很明顯地看出隨著θ角的減小，前向散射右側(cè)部分大于48.75°的散射光將會陸續(xù)地由樣品池透射出，同樣的后向散射右側(cè)部分大于228.75°的散射光也將陸續(xù)地由樣品池透射出來。那么在這里出現(xiàn)的問題就是隨著θ角的變化，到底有多大范圍內(nèi)的散射光能夠從樣品池透射出來，以及這么做的意義到底有多大，我們通過一系列復雜的計算，zui后采用20°夾角入射樣品池，因為以這個角度入射時，反射光對探測后向散射信號時造成的影響會大大降低。

下面附上顆粒實際散射角與探測角之間的對應關(guān)系圖表：

表1  探測角與散射角之間的對應關(guān)系示意圖

虛光源的確定及其意義

本實驗成功與否的關(guān)鍵在于能否準確的探測散射信息，之前也提到過，我們采用光纖探頭接收散射光，是因為光纖探頭的口徑小，再加上探頭前孔闌對光場的限制，理論上可以準確的探測某一方向上的散射光信號。實驗裝置采用光纖探頭固定在一可轉(zhuǎn)懸臂上，通過懸臂繞中心轉(zhuǎn)動來探測各角度的散射光信息。這也就是說探頭接收的是來自散射裝置中心的散射信息，那么樣品池中心散射光信息是否就是散射裝置中心散射光信息呢？如何確定？下面將對這一問題進行深入地探討。

圖4  虛光源的確定示意圖

如圖4所示，我們將樣品池中心看作一光源，由該光源出射的光經(jīng)過樣品池內(nèi)外表面折射后透射出來，根據(jù)平面折射物像距公式

我們可以知道經(jīng)過樣品池內(nèi)表面后有

上3.13mm的地方，也就是說光源的像點為一位與散射介質(zhì)內(nèi)距樣品池內(nèi)表面0.13mm的虛點，我們稱之為“虛光源”。

虛光源的物理意義是我們看到的由樣品池出射的散射光好像來自虛光源處的那一點。

那么如何運用虛光源呢？

在實驗中我們將前向虛光源與后向虛光源分別置于散射裝置的中心軸，一定要將探頭對準虛光源的位置，這一步處理是非常關(guān)鍵的，它決定著能否準確探測散射信息，如果缺少這一步，那么對散射光的探測方向與它實際的散射方向?qū)⒂幸惠^大的差別。

數(shù)據(jù)處理結(jié)果及其分析

我們將測得的原始數(shù)據(jù)進行處理，對實驗結(jié)果進行歸一化后用Excel分析可以得到如下對照圖表：

圖5  0.3μm實驗值與理論值對照圖