編者按：如今激光粒度的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，技術(shù)和市場(chǎng)屢有更迭，潮起潮落，物換星移，該如何全方位掌握激光粒度儀的技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展，如何更好地讓激光粒度儀成為我們科研、檢測(cè)工作中的好戰(zhàn)友呢？?jī)x器信息網(wǎng)有幸邀請(qǐng)?jiān)谥袊?guó)顆粒學(xué)會(huì)前理事長(zhǎng)，真理光學(xué)首席科學(xué)家，從事激光粒度儀的研究和開發(fā)工作近30年的張福根博士親自執(zhí)筆開設(shè)專欄，以淵博而豐厚的系列文章，帶讀者走進(jìn)激光粒度儀的今時(shí)今日。

激光粒度儀應(yīng)用導(dǎo)論之原理篇

當(dāng)前，激光粒度儀在顆粒表征中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。測(cè)量對(duì)象涵蓋三種形態(tài)的顆粒體系：固體粉末、懸浮液（包括固液、氣液和液液等各類二相流體）以及液體霧滴。應(yīng)用領(lǐng)域則包含了學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)，技術(shù)開發(fā)部門和生產(chǎn)監(jiān)控部門。第一臺(tái)商品化儀器誕生至今已經(jīng)50年，作者從事該方向的研究和開發(fā)也將近30年。盡管如此，由于被測(cè)對(duì)象——顆粒體系比較抽象，加上激光粒度儀從原理到技術(shù)都比較復(fù)雜，且自身還存在一些有待完善的問(wèn)題，作者在為用戶服務(wù)的過(guò)程中，感覺到對(duì)激光粒度儀的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題作一個(gè)既通俗但又不失專業(yè)性的介紹，能夠幫助讀者更好地了解、選擇和使用該產(chǎn)品。本系列文章的定位是通俗性的。但為了讓部分希望對(duì)該技術(shù)有深入了解的讀者獲得更多、更深的有關(guān)知識(shí)，作者在本文的適當(dāng)位置增加了“進(jìn)階知識(shí)”。只想通俗了解激光粒度儀的讀者，可以略過(guò)這些內(nèi)容。

首先應(yīng)當(dāng)聲明，這里所講的激光粒度儀是指基于靜態(tài)光散射原理的粒度測(cè)試設(shè)備。當(dāng)前還有一種也是基于光散射原理的粒度儀，并且也是以激光為照明光源，但是稱為動(dòng)態(tài)光散射（Dynamic light scattering，簡(jiǎn)稱DLS）粒度儀。前者是根據(jù)不同大小的顆粒產(chǎn)生的散射光的空間分布（認(rèn)為這一分布不隨時(shí)間變化）來(lái)計(jì)算顆粒大小，而后者是在一個(gè)固定的散射角上測(cè)量散射光隨時(shí)間的變化規(guī)律來(lái)分析顆粒大??；前者適用于大約0.1微米以粗至數(shù)千微米顆粒的測(cè)量，而后者適用于1微米以細(xì)至1納米（千分之一微米）顆粒的測(cè)量。激光粒度儀在英文中又稱為基于激光衍射方法（Laser diffraction method）的粒度分析技術(shù)。

【進(jìn)階知識(shí)1】嚴(yán)格地說(shuō)，把激光粒度儀的原理說(shuō)成是“衍射方法”是不準(zhǔn)確，甚至帶有誤導(dǎo)性的。從物理上說(shuō)，光的衍射和散射是有所區(qū)別的?！肮獾难苌洹睂W(xué)說(shuō)源自光的波動(dòng)性已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，但是還沒從理論上認(rèn)識(shí)到光是一種電磁波這一時(shí)期，大約是19世紀(jì)上半葉。在更早的時(shí)候，人們認(rèn)為光的行進(jìn)路線是直線，就像一個(gè)不受外力作用的粒子作勻速直線運(yùn)動(dòng)那樣。這一說(shuō)法歷史上被稱為“光的粒子說(shuō)”。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)光具有波動(dòng)形。那個(gè)時(shí)候人們所知道的波只有水波，所以“衍”字是帶水的。“光的衍射”描述的是光波在傳播過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，會(huì)改變?cè)瓉?lái)的傳播方向繞到障礙物后面的現(xiàn)象，故衍射又稱做“繞射”。描述衍射現(xiàn)象的理論稱為衍射理論。衍射理論在遠(yuǎn)場(chǎng)（即在遠(yuǎn)離障礙物的位置觀察衍射）的近似表達(dá)稱為“夫朗和費(fèi)衍射（Fraunhofer diffraction）”。衍射理論不考慮光場(chǎng)與物質(zhì)（障礙物）之間的相互作用，只是對(duì)這一現(xiàn)象的維像描述，所以是一種近似理論。它只適用于障礙物（“顆?！本褪且环N障礙物）遠(yuǎn)大于光的波長(zhǎng)（激光粒度儀所用的光源大多是紅光，波長(zhǎng)范圍0.6至0.7微米），并且散射角的測(cè)量范圍小于5°的情形。

麥克斯韋（Maxwell）在19世紀(jì)70年代提出電磁波理論后，發(fā)現(xiàn)光也是一種電磁波。光的衍射現(xiàn)象本質(zhì)上是電磁場(chǎng)和障礙物的相互作用引起的。衍射理論是電磁波理論的近似表達(dá)。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾姶挪ɡ碚撜J(rèn)為，光在行進(jìn)中遇到障礙物，與之相互作用而改變了原來(lái)的行進(jìn)方向。一般把這種現(xiàn)象稱作光的散射。用電磁波理論能夠描述任意大小的物體對(duì)光的散射，并且散射光的方向也是任意的。不論是早期還是現(xiàn)在，用激光粒度儀測(cè)量顆粒大小時(shí)，都假設(shè)顆粒是圓球形的。如果再假設(shè)顆粒是均勻、各向同性的，那么就能用嚴(yán)格的電磁波理論推導(dǎo)出散射光場(chǎng)的嚴(yán)格解析解（稱為“米氏（Mie）散射理論”）。

現(xiàn)在市面上的激光粒度儀絕大多數(shù)都采用Mie散射理論作為物理基礎(chǔ)，因此把現(xiàn)在的激光粒度儀所用的物理原理說(shuō)成是衍射方法是不準(zhǔn)確的，甚至?xí)徽`認(rèn)為是早期的建立在衍射理論基礎(chǔ)上的儀器。

世界上第一臺(tái)商品化激光粒度儀是1968年設(shè)計(jì)出來(lái)的。盡管當(dāng)時(shí)Mie理論已經(jīng)被提出，但是受限于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，還難以用它快速計(jì)算各種粒徑顆粒的散射光場(chǎng)的數(shù)值。所以當(dāng)時(shí)的激光粒度儀都是用Fraunhofer衍射理論計(jì)算散射光場(chǎng)，這也是這種原理被說(shuō)成激光衍射法的緣由。這種稱呼一直延用到現(xiàn)在。不過(guò)現(xiàn)在國(guó)際上用“光散射方法”這個(gè)詞的已經(jīng)逐漸多了起來(lái)。

顆粒光散射示意圖

激光粒度儀是基于這樣一種現(xiàn)象：當(dāng)一束單色的平行光（激光束）照射到一個(gè)微小的球形顆粒上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光斑。這個(gè)光斑是由一個(gè)位于中心的亮斑和圍繞亮斑的一系列同心亮環(huán)組成的。這樣的光斑被稱為“愛里斑（Airy disk）”，而中心亮斑的尺寸是用亮斑的中心到第一個(gè)暗環(huán)（最暗點(diǎn)）的距離計(jì)算的，又稱為愛里斑的半徑。愛里斑的大小和光強(qiáng)度的分布隨著顆粒尺寸的變化而變化。一種傳統(tǒng)并被業(yè)界公認(rèn)的說(shuō)法是：顆粒越小，愛里斑越大。因此我們可以根據(jù)愛里斑的光強(qiáng)分布確定顆粒的尺寸。當(dāng)然，在實(shí)際操作中，往往有成千上萬(wàn)個(gè)顆粒同時(shí)處在照明光束中。這時(shí)我們測(cè)到的散射光場(chǎng)是眾多顆粒的散射光相干疊加的結(jié)果。

?編者結(jié)：明了內(nèi)功心法，下一步自然會(huì)渴望于掌握武功招式。本文深入淺出地介紹激光粒度儀的原理，激光粒度儀的結(jié)構(gòu)自然是讀者們亟待汲取的“武功招式”。欲得真經(jīng)，敬請(qǐng)期待張福根博士系列專欄——激光粒度儀應(yīng)用導(dǎo)論之結(jié)構(gòu)篇。

（作者：張福根）