[发明专利]一种基于短脉冲激光透反射信号的球形颗粒光谱复折射率测量方法

摘要

一种基于短脉冲激光透反射信号的球形颗粒光谱复折射率测量方法，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。本发明所述方法利用短脉冲激光辐照均匀球形颗粒系，测量颗粒系的反射信号和透射信号，用粒度分析仪测量颗粒系的粒径分布情况，运用Mie理论模型结微粒群优化算法反演得到颗粒的光谱复折射率，本发明适用于测量颗粒的光谱复折射率。

主权项

一种基于短脉冲激光透反射信号的球形颗粒光谱复折射率测量方法，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tp的波长为的短脉冲激光沿着与样本容器表面法线成θc角的方向入射到样本容器左侧表面；其中，10‑12s≤tp≤10‑9s，0<θc<π/2，0.3μm<λ<2.5μm；步骤三、采用单光子计数器在样本颗粒容器的左侧表面测量时间分辨半球反射信号，在样本颗粒容器的右侧表面测量时间分辨半球透射信号，并记录样本颗粒容器的左侧边界处的时间分辨半球反射信号曲线Rexp(t,λ)和右侧边界处的时间分辨半球透射信号曲线τexp(t,λ)；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Cabs,pred(D,λ)和光谱散射截面Csca,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Cabs,pred(D,λ)和光谱散射截面Csca,pred(D,λ)，获得颗粒系的吸收系数κa(λ)和散射系数κs(λ)；步骤八、利用步骤七获得颗粒系的吸收系数κa(λ)和散射系数κs(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(x,θ,t,λ)；步骤九、通过公式： R pred ( t , λ ) = 2 π I 0 ∫ π / 2 π I d ( 0 , θ , t , λ ) cos θ sin θdθ - - - ( 1 ) τ pred ( t , λ ) = 1 I 0 [ 2 π ∫ 0 π / 2 I d ( L , θ , t , λ ) cos θ sin θdθ + I c ( L , θ c , t , λ ) ] - - - ( 2 ) 获得左侧边界的时间分辨半球反射信号的估计值Rpred(t,λ)和右侧边界的时间分辨半球透射信号的估计值τpred(t,λ)；式中，I0是时变脉冲激光的辐射强度峰值；Id(0,θ,t,λ)为t时刻入射波长为λ，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；Id(L,θ,t,λ)为t时刻入射波长为λ，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；Ic(L,θc,t,λ)为t时刻入射波长为λ，时变脉冲激光沿着入射方向θc衰减到样本右侧壁面时的辐射强度，θc为时变脉冲激光入射方向角，L为样本厚度；步骤十、利用步骤三中单光子计算器获得的左侧边界处的时间分辨半球反射信号Rexp(t,λ)和右侧边界处的时间分辨半球透射信号τexp(t,λ)，与步骤九中获得左侧边界的时间分辨半球反射信号的估计值Rpred(t,λ)和右侧边界的时间分辨半球透射信号的估计值τpred(t,λ)，获得目标函数Fobj；步骤十一、判断步骤十中的获得目标函数Fobj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的取值，作为结果，完成基于短脉冲激光的颗粒系的颗粒光谱复折射率的测量，否则返回步骤五。