光的衍射和散射的区别

光的衍射和散射的区别

目前,激光粒度仪在颗粒表征领域的应用已经相当广泛。其测量对象涵盖了固体粉末、悬浮液(包括各种二相流体)以及液体雾滴等三种形态的颗粒体系。此技术已渗透到学术研究机构、技术开发部门以及生产监控部门等各个领域。自第一品化激光粒度仪问世以来,已经过去了五十年。张福根博士长期致力于该方向的研究和开发,积累了丰富的经验。由于颗粒体系较为抽象,激光粒度仪的原理及技术也相对复杂,且自身还存在一些待完善的问题,张博士在为客户提供服务时,深感有必要对激光粒度仪的科学原理和技术进行一次通俗易懂又专业的介绍,以帮助客户更好地了解、选择和使用此产品。

值得注意的是,这里所讨论的激光粒度仪,是指基于静态光散射原理的粒度测试设备。还有一种采用动态光散射(DLS)原理的粒度仪,同样使用激光作为照明光源。两者在测试原理和应用领域上有所区别。静态光散射原理的激光粒度仪主要通过测量不同大小颗粒产生的散射光的空间分布来计算颗粒大小,适用于较粗至较细颗粒的测量。而动态光散射粒度仪则侧重于在一个固定的散射角上测量散射光随时间的变化来分析颗粒大小,更适用于细微颗粒的测量。

关于激光粒度仪的原理,有一个进阶的知识需要了解。虽然常被称为“衍射方法”,但严格来说,这一称呼并不准确,甚至可能造成误导。从历史的角度来看,“光的衍射”学说是源于光的波动性被实验证实,但在更早的时期,人们普遍认为光的行进路线是直线。后来,随着对光的认识深化,人们发现光具有波动性,并将衍射描述为光波在传播过程中遇到障碍物时的现象。在麦克斯韦提出电磁波理论后,人们认识到光的衍射现象本质上是电磁场与障碍物的相互作用引起的。用电磁波理论能够描述任意大小的物体对光的散射,这种散射现象现在一般被称为“光的散射”。

激光粒度仪基于光与球形颗粒相互作用的现象来工作。当一束单色的平行光(激光束)照微小球形颗粒上时,会产生一个特殊的光斑,称为“爱里斑”。爱里斑的大小和光强度的分布随着颗粒尺寸的变化而变化。根据爱里斑的光强分布,可以推断出颗粒的尺寸。在实际操作中,由于有成千上万的颗粒同时处于照明光束中,测得的散射光场是众多颗粒散射光相干叠加的结果。

世界上市面上的激光粒度仪大多数都是以Mie散射理论作为物理基础的。然而早期的激光粒度仪受限于计算机计算能力,大多采用Fraunhofer衍射理论计算散射光场。这种称呼一直沿用至今,但现在越来越多地使用“光散射方法”这一词汇。关于激光粒度仪的详细原理和进阶知识,将在后续内容中深入探讨。


光的衍射和散射的区别