[发明专利]时间分辨的激光光散射测量系统

说明书

本发明是一种时间分辨的激光光散射测量并且是计算机实时控制处理的测量系统。

高聚物的光散射研究法就是利用高聚物对光的散射现象来获得其内部的结构状况的信息。激光光散射在高聚物的超分子结构研究中有重要应用，如高聚物球晶的尺寸和结构、非晶高聚物的取向等。近年来，时间分辨激光散射技术的出现使该技术还可应用于研究球晶的生长速率、聚合物拉伸形变、球晶形变、晶区的取向、液晶的结构和性质及共混物相分离机理等动态行为的研究中。借助光学双折射现象，时间分辨光散射技术还成功地运用于研究高聚物内部的应力松弛变化。它为理解聚合物的形变机理和共混高聚物体系的相分离动力学行为及机理提供了大量有价值的信息。尤其在含液晶高分子体系的相分离机理和相态转变的研究中更是一种非常灵敏、有效的手段。材料的结构非均匀性对力学强度等性能有重要影响。在引入光散射技术前，几乎没有方法来测定这种非均匀性，因此很难控制它对材料物理性能的具体影响，而光散射技术解决了这个问题，对材料的非均匀性可进行定量表征。这种表征是基于固体对电磁波的散射能力。当一束光通过材料时，即使不被吸收也会因散射而减小强度。这散射强度及其角度依赖性依赖于固体的折光指数(或介电常数)的涨落以及这个波动所涉及的空间范围的大小。

迄今所报道的激光光散射测量仪形式多样，但可概括为照相法、光电法两大类，氦-氖激光是理想的光源。最早光散射法的光源是汞弧灯，这种光源有强度低、光路系统复杂等缺点，往往需要长的曝光时间，给测量带来了不便。后来曾用红宝石脉冲激光器，但都不如连续、功率一般仅2毫瓦左右的氦-氖激光器优越。在对光强稳定性要求很高的场合，可采用功率稳定的氦-氖气体激光器。目前，国内已生产有功率波动仅千分之一的这类激光器。两大类方法比较，照相法较简单、直观，还可采用高速摄影机记录动态变化过程，Erhardt和Stein曾用2ms一次的高速摄影机进行拉伸过程的研究。用照相法记录的是二维信息。一次即可记录散射图像全貌，但灵敏度低，不易得到较精确的光强数据作定量研究。光电法一般采用光电倍增管作检测器，散射光信号经放大后输入记录仪。光电倍增管虽可得到较精确的光散射数据，但只能进行线记录，无法得到图像的全貌。为解决以上不足，Samuels(1966)靠绕样品转动光电倍增管来改变测量角，同时靠绕入射光方向转动样品和偏振系统来改变方位角来实现二维记录，从而克服线记录的缺陷。这种仪器扫描方式称为旋转光电计式。Pakula于1974发明了旋转光阑式记录法，可用于较高扫描速度的场合。用机械方式扫描不同角度下的散射光强要求很高的加工精度，速度也不可能很快。采用光电二极管阵列及光学纤维作为光传导，亦能满足通常的研究需要。随着微电子技术和视频技术的发展，多通道光学分析器(Optical Multi-channel Analyzer简称OMA，OMA1一维，OMA2二维)使光散射测量速度和精度有了实质性的提高，已经可以同时满足数据精度和二维图像成像的要求，并有可能作实时研究。但是其精度和灵敏度仍不能满足要求。

本发明的目的是设计一种高灵敏度和快速响应并能实时控制测量及其数字化处理的激光光散射测量系统。

本发明的激光光散射方法所用的第一部分仪器装置由光源、偏振系统、样品散射池、加热控温系统和记录显示系统组成。本测量系统的第二部分由二维CCD摄像机、CCD控制器、监视器、图像采集卡、计算机和录像机组成。光散射图像经过镜头摄入CCD摄像头，由CCD接收的光电信号经过CCD中的A/D转换器，输出到监视器、录像机或图像采集卡。CCD是电荷耦合器件(Charge Coupled Device)

光电耦合器件CCD是一种可用于探测光强空间分布的一维或二维的光电阵列，灵敏度高，增益可调，可直接与计算机、视频接收信号系统相连。为保证光强落在CCD的线性测量范围内，采用低增益测量，并利用CCD摄像机的电子快门、光路系统用衰减片控制CCD接受的光强，使之落在其线性测量范围内。由CCD摄像机输出的视频信号，可以通过监视器来观察光散射图像，同时又可以输至磁带录像机中，需要的时候通过录像机放像输入采集卡中，转换成数字信号记录在计算机磁盘上，最后进行图像的数据处理和分析。