CN103163051B - 一种基于磁光调制的偏振光散射测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁光调制的偏振光散射测量系统及方法，激光器发出相干光经过起偏器变为线偏振光，线偏振光经聚焦透镜聚焦到样品匹配池中。从样品匹配池出来的散射光经扩束准直透镜，减小了散射光发散角并准直出射光束的直径后，依次经过法拉第线圈、检偏器、扩束透镜得到周期性变化的线偏振光，通过限制感光面积的孔径光阑后被光电倍增管接受，光电倍增管将信号送入锁相放大器滤除掉外部噪声和设备内部的白噪声后，送取样积分器和计算机进行取样积分和数字式平均再求取粒径分布。与现有技术相比具有低强度激光测量，对样品无干扰和损伤，能快速，准确测量纳米颗粒粒径，最大限度地抑制噪声提高测量的准确性，使系统适应各种环境的使用。

Description

一种基于磁光调制的偏振光散射测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种测量技术，特别涉及一种基于磁光调制的偏振光散射测量系统及方法。

背景技术

光散射技术是探测质点运动性质的重要手段，其主要应用是能快速地测定溶液中大分子或颗粒的平移扩散系数，从而得测定颗粒大小或溶度。该法快速、可靠, 具有不干扰、不破坏体系原有状态的优点。且测量范围宽（70纳米-2微米），可获得精确的粒径分布。近年来，医药、航天、环境、化工等领域的纳米颗粒粒度测量都涉及到此技术，并成为稀溶液内超细颗粒表征的重要手段。

但由于光散射测量的特殊性, 散射光通常较弱，而噪声是始终存在于光散射的整个测量过程中。纵观目前光散射的测量过程, 影响到测量结果的噪声源非常之多,仅根据噪声产生的物理因素,就大致可分为外部环境噪声和设备内部噪声两大类。如外部环境噪声包含有背景杂散光、入射光功率波动、样品池上的闪耀斑、环境温度变化、环境电磁辐射干扰、机械振动、光路中的尘埃与样品中的杂质等。设备内部噪声包含有光子统计噪声、光电探测器噪声、电子线路噪声、采样量化误差等。由于噪声的随机性, 使得如此诸多噪声与光散射信号的随机起伏不可易被分辨。其大小直接影响到测量系统的信噪比大小与测量结果的准确性。

同时由于光电探测器是测量光路的核心部分, 对于设备内部噪声，其包含的柏松噪声、散弹噪声、爆裂噪声、热噪声、1/f噪声，是影响测量系统信噪比和精确性的主要因素。原则上选择具有较小噪声水平的光电探测器，并在暗室采用低温手段可以减弱大部分外部环境噪声和光电探测器噪声。但实际应用中由于低温设备比较昂贵且操作复杂等测量条件的苛刻，限制了其在线实时测量方面的进一步推广。

发明内容

本发明是针对现在光散射的实时测量对测量条件要求高的问题，提出了一种基于磁光调制的偏振光散射测量系统及方法，通过磁光调制测量光信号，再选频滤波放大，以减小、抑制甚至消除噪声，来最大限度地抑制噪声提高测量的准确性，使系统适应各种环境的使用。

本发明的技术方案为：一种基于磁光调制的偏振光散射测量系统，包括入射光路部分，输出调制光路和接收解调部分，入射光路部分依次包括激光器、起偏器、聚焦透镜、样品匹配池；输出调制光路部分依次包括扩束准直透镜、法拉第线圈、检偏器、扩束透镜、孔径光阑；接收解调部分依次包括光电倍增管、锁相放大器、取样积分器和计算机；激光器发出相干光经过起偏器变为线偏振光，线偏振光经聚焦透镜聚焦到样品匹配池中，从样品匹配池出来的散射光经扩束准直透镜变成平行光束，再依次经过法拉第线圈、检偏器、扩束透镜得到周期性变化的线偏振光，通过限制感光面积的孔径光阑后被光电倍增管接受，光电倍增管将信号送入锁相放大器通过解调滤波选频，滤除掉外部噪声和设备内部的白噪声后，送入取样积分器对信号周期进行取样和积分，最后数据送入计算机内进行处理。

一种基于磁光调制的偏振光散射测量方法，包括基于磁光调制的偏振光散射测量系统，具体包括如下步骤：

1）用氦氖激光器作为光源，连续激光通过起偏器起偏后，经透镜聚焦入射到盛有样品溶液的样品池中；

2）用扩束透镜准直从样品池孔径射出的偏振态与入射光平行的线偏振光；

3）用可调频电源驱动法拉第线圈调制样品孔径出来的线偏振光；

4）用光电倍增管作为光电探测器以90度的散射角测量经调制的光信号，将测定的光信号转换成交流电压信号；

5）锁相放大器对被调制的正弦信号输入进行交流放大，用带通滤波器抑制宽带噪声之后再进行解调和低通滤波，以得到放大了的被测信号；

6）用取样积分器对信号周期的取样和积分；

7）把数据送入计算机内通过图形处理软件进行数字式平均处理，再还原出粒子粒径的大小。

本发明的有益效果在于：本发明一种基于磁光调制的偏振光散射测量系统及方法，与现有技术相比具有低强度激光测量，对样品无干扰，无损伤，能快速，准确测量纳米颗粒粒径，以及高噪声抑制、高信噪改善比，高测量精度，重复性好，适用性广，适合于现场监控等优点。

附图说明

图1为本发明基于磁光调制的偏振光散射测量原理图；

图2为本发明基于磁光调制的偏振光散射测量系统调制后的频谱迁移图；

图3为本发明基于磁光调制的偏振光散射测量系统解调后的频谱迁移图；

图4为本发明偏振光通过光学元件后偏振面变化示意图；

图5为本发明基于磁光调制的偏振光散射测量系统信号处理示意图。

具体实施方式

如图1所示，包括入射光路部分，输出调制光路和接收解调部分，入射光路部分依次包括激光器1、起偏器2、聚焦透镜3、样品匹配池4；输出调制光路部分依次包括扩束准直透镜5、法拉第线圈7、检偏器8、扩束透镜9、孔径光阑10；接收解调部分依次包括光电倍增管11、锁相放大器12、取样积分器13和计算机14。激光器1提供相干光；起偏器2将入射激光变为线偏振光；聚焦透镜3将偏振光聚焦到样品匹配池4中溶液内的一点，扩束准直透镜5将减小散射光发散角并扩展出射光束的直径；可调频交流电源模块6选频出特定频率，为法拉第线圈7和为锁相放大器12分别提供调制频率和参考信号频率，使二者频率相同；法拉第线圈7将周期性调制被准直扩束后的线偏振光，使原来偏振态与入射光平行的线偏振光被调制成偏振面周期性变化的线偏振光；孔径光阑10将限制入射到光探测器的散射光光束，限定感光面积，并减少背景光的干扰；光电倍增管11接受被调制的光信号；锁相放大器12利用参考信号的频率和相位进行检测，通过解调滤波选频，滤除掉外部噪声和设备内部的白噪声；取样积分器13对信号周期的取样和积分，最后数据送入计算机14内数字式平均。

本发明的基本原理为：根据Mie散射理论，当入射光为线偏振光，散射角 θ =90度时，散射光偏振度P=1，且偏振方向与入射光偏振方向平行。如图4所示，则当起偏器和检偏器两透光轴平行时，透过检偏器的光强为：

I=I₀cos²(ωt)

=0.5I₀+0.5I₀cos(2ωt)                     （1）

式中 ,I₀为通过样品散射后平行于入射光偏振方向的线偏振光光强。

如图5所示，当透过检偏器的光强进入光电倍增管时，由光信号转换为电信号，则送入锁相放大器的被测信号为：

x(t)=V_S[A+cos(ω₀t+θ)]                      （2）

另外从交流电源模块送入锁相放大器同频的参考信号：

r(t)=V_rcosω₀t                                 (3)

式中，V_S为被测信号的幅度，V_r为参考信号的幅度，A为被测信号的直流分量，ω₀为被测信号与参考信号的频率且等于2ω，θ为被测信号x(t)与参考信号r(t)的相位差。

1）、若调制后的被测信号x(t)含单频噪声分量：

x(t)=V_S[A+cos(ω₀t+θ)]+V_ncos(ω_nt+α)          (4)

式中，ω_n为单频噪声的频率, V_n为噪声幅度，α为噪声的初相位。

则锁相放大器中模拟乘法器的输出u_p(t)为x(t)与r（t）相乘的结果为：

u_p(t)=x(t)·r（t）=AV_SV_rcosω₀t +0.5V_SV_rcosθ+0.5V_SV_rcos(2ω₀t+θ)+0.5V_nV_rcos[(ω_n+ω₀)t+α]+0.5V_nV_rcos[(ω_n-ω₀)t+α]             (5)

式中，第1项为被测信号的原频项，第2项为信号与参考的差频项，第3项为信号与参考的和频项，第4项为噪声与参考的和频项，第5项为噪声与参考的差频项。经锁相放大器的低通滤波后第1项和两个和频项都被滤除，锁相放大器输出为第2项0.5V_SV_rcosθ和第5项中∣ω_n-ω₀∣<LPF（低通滤器）的等效噪声带宽的噪声。由于LPF的等效噪声带宽足够窄，第5项功率将被大为衰减，所以得到了满意的信噪比。

2）、若调制后的被测信号x（t）含窄带噪声分量

输入的正弦信号叠加了零均值高斯分布窄带噪声n(t),即

x(t)=V_Scos(ω₀t+θ)+ n(t)                  （6）

则n(t)的功率谱密度S_n(ω)在频带ω_n-B/2～ω_n+B/2范围内恒定为N₀/2。由于中心频率为ω_n的窄带噪声n(t)可分解为：

n(t)= n_c(t)cosω_nt- n_s(t)sinω_nt              (7)

n_c(t)和n_s(t)是两个独立的低频平稳随机过程，均值都为零，幅度分布为高斯型，功率相同，等于n(t)功率。

则锁相放大器模拟乘法器的输出u_p(t)为：

u_p(t)=x(t)·r（t）

=[V_SA+V_Scos(ω₀t+θ)+ n_c(t)cosω_nt- n_s(t)sinω_nt]V_rcosω₀t

= AV_SV_rcosω₀t+0.5V_SV_rcosθ+0.5V_SV_rcos(2ω₀t+θ)+

0.5V_rn_c(t)cos(ω_n+ω₀)t+ 0.5V_rn_c(t)cos(ω_n-ω₀)t-

0.5V_rn_s(t)sin(ω_n+ω₀)t-0.5V_rn_s(t)sin(ω_n-ω₀)t             (8)

式中的后4项是中心频率分别为ω_n+ω₀和ω_n-ω₀，幅度包络分别n_c(t)和n_s(t)的窄带噪声。经过LPF，式中的1个原频项（第1项）与3个和频项（第3、4、6项）被滤除，而第2项，第5项和第7项所表示的中心频率为ω_n-ω₀的窄带噪声落入LPF等效噪声带宽内噪声。由于ω_n和ω₀不接近，LPF等效噪声带宽也足够窄，使得这两项功率大为衰减，因而得到了较满意的信噪比。

分析以上两种噪声类型我们发现，如图2所示，光电倍增管及各器件电路中所产生的白噪声与调制信号x（t）一起被交流选频放大器进行放大，就变成中心频率为选频放大器中心频率ω₀的窄带噪声。如图3所示，再通过锁相放大器的解调，经过低通滤波LPF窄带噪声的滤除，所以我们利用锁相放大器LPF窄带化作用，极大了提高信噪比。

基于磁光调制的偏振光散射测量方法，其步骤如下：

1）用激光器作为光源，通过起偏器，由凸透镜聚焦到盛有颗粒的样品池内；

2）按基本原理的演算过程，调整起偏器和检偏器使两透光轴平行，实际上两光轴互相垂直也可行，只是原理的演算过程与上不同；

3）用光电倍增管作为光电探测器以90度的散射角连续测量散射光信号；

4）光电探测器将测定的光信号转换成交流电压信号，该信号反映了散射光被调制后的光强，以及外部环境噪声和内部固有噪声的总和；

5）锁相放大器对被调制的正弦信号输入进行交流放大，用带通滤波器抑制宽带噪声，之后再进行解调和低通滤波，以得到放大了的被测信号；

6）用取样积分器对信号周期的取样和积分；

7）把数据送入计算机内通过图形处理软件进行数字式平均处理，再还原出粒子粒径的大小。

Claims (2)

1.一种基于磁光调制的偏振光散射测量系统，其特征在于，包括入射光路部分，输出调制光路和接收解调部分，入射光路部分依次包括激光器、起偏器、聚焦透镜、样品匹配池；输出调制光路部分依次包括扩束准直透镜、法拉第线圈、检偏器、扩束透镜、孔径光阑；接收解调部分依次包括光电倍增管、锁相放大器、取样积分器和计算机；激光器发出相干光经过起偏器变为线偏振光，线偏振光经聚焦透镜聚焦到盛有样品溶液的样品匹配池中，从样品匹配池出来的与入射光成90度的散射光，此散射光为线偏振光，再经扩束准直透镜变成平行光束，再依次经过法拉第线圈、检偏器、扩束透镜得到周期性变化的线偏振光，通过限制感光面积的孔径光阑后被光电倍增管接受，光电倍增管将信号送入锁相放大器通过解调滤波选频，滤除掉外部噪声和设备内部的白噪声后，送入取样积分器对信号周期进行取样和积分，最后数据送入计算机内进行处理。

2.根据权利要求1所述偏振光散射测量系统的测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）用氦氖激光器作为光源，连续激光通过起偏器起偏后，经透镜聚焦入射到盛有样品溶液的样品池中；

2）用扩束透镜准直从样品池孔径射出的偏振态与入射光平行的线偏振光；

3）用可调频电源驱动法拉第线圈调制样品孔径出来的线偏振光；

4）用光电倍增管作为光电探测器以90度的散射角测量经调制的光信号，将测定的光信号转换成交流电压信号；

5）锁相放大器对被调制的正弦信号输入进行交流放大，用带通滤波器抑制宽带噪声之后再进行解调和低通滤波，以得到放大了的被测信号；

6）用取样积分器对信号周期的取样和积分；

7）把数据送入计算机内通过图形处理软件进行数字式平均处理，再还原出粒子粒径的大小。