1、光的衍射在工业中的应用大学物理讨论报告组长：张仕康 组员：岳纹、张方南、 周游、周博文、周明伍中国石油大学（北京）勘查技术与工程12-4班光的衍射在工业中的应用光的衍射决定光学仪器的分辨本领。气体或液体中的大量悬浮粒子对光的散射，衍射也起重要的作用。在现代光学乃至现代物理学和科学技术中，光的衍射得到了越来越广泛的应用。光的衍射衍射应用大致可以概括为以下四个方面： 衍射用于光谱分析。如衍射光栅光谱仪。 衍射用于结构分析。衍射图样对精细结构有一种相当敏感的“放大”作用，故而利用图样分析结构，如 X 射线结构学。 衍射成像。在相干光成像系统中，引进两次衍射成像概念，由此发展成为空间滤波技术和光学信息
2、处理。光瞳衍射导出成像仪器的分辨本领。 衍射再现波阵面。这是全息术原理中的重要一步相关介绍实验室里为了观察衍射现象，总是由光源、衍射屏和接收衍射图样的屏幕(称为接收屏) 组成一个衍射系统。为了研究的方便，通常根据衍射系统中三者的相互距离的大小，将衍射现象分为两类 光的衍射，一类称为菲涅耳衍射，另一类称为夫琅禾费(J.Fraunhofer,1787- 1826)衍射。所谓菲涅耳衍射，就是当光源到衍射屏的距离或接收屏到衍射屏的距离不是无限大时，或两者都不是无限大时所发生的衍射现象。可见在菲涅耳衍射中，入射光或衍射光不是平行光，或两者都不是平行光，如图13-15(a)所示。所谓夫琅禾费衍射，就是当光
3、源到衍射屏的距离和接收屏到衍射屏的距离都是无限大时，所发生的衍射现象。可见在夫琅禾费衍射中入射光和衍射到接收屏上任意一点的光都是平行光，如图13-15(b)所示。夫琅禾费衍射的条件在实验室里可借助于透镜实现。将光源放置在会聚透镜 L1的焦点上，则从 L1透射的光，即衍射孔的入射光就是平行光；同时将接收屏放置在会聚透镜 L2的焦 夫琅禾费衍射面上，则到达接收屏上任意一点的衍射光也是平行光以下介绍的在工业中的应用一、在涂料工业中用的测试粒度及粒度分布的方法之一激光衍射光学法。该法是基于颗粒能使光产生散射这一物理现象来测量颗粒的粒径及粒径分布的。即来自光源的光束穿过含有待测颗粒的器皿，在光与颗粒的相
4、互作用下产生光的散射，用多元检测器测量颗粒在各个角度的散射光信号，然后用合适的光学模型和数学程序将散射信号进行转换与处理，就可得到按试样的体积比计，以不同粒度范围表示的等效球体体积粒径分布。按仪器接受的散射信号可以分为衍射法、角散射法、全散射法、光子相关光谱法等。其中以激光为光源的激光衍射散射式粒度仪(习惯上简称此类仪器为激光粒度仪) 发展最为成熟，在颗粒测量技术中已经得到了普遍的采用。与上述各种方法相比，该方法的特点是:(1)适用性广，既可测粉末状的颗粒，也可测悬浮液和乳浊液中的颗粒;(2)测试范围宽，国际标准 ISO13320-1ParticleSizeAnalysis2LaserDiff
5、ractionMeth2ods2Part1:GeneralPrinciples 中规定激光衍射散射法的应用范围为0.1 3000m;(3) 准确性高，重复性好;(4)测试速度快;(5)可进行在线测量。在涂料工业中该法也已得到了业内人士的认同，某些涂料及相关产品已制定了相应的测试方法标准，如，国际标准 ISO8310-13CoatingPowders2Part13:Par2ticleSizeAnalysisbyLaserDiffraction 和化工行业标准HG/T3744云母珠光颜料。 3测试仪器和测试方法 本文所述实例采用 SYMPATECHELOS/OASIS 德国新帕泰克干湿二合一激光粒
6、度仪测量颗粒的粒度及粒度分布。是基于激光衍射的测试原理，测量范围0.1 875 m。对粉末状试样，选用干法直接测试;对乳化液和悬浮液等液态试样，选用湿法直接测试试样中颗粒的最原始状态的粒度及粒度分布。 4.1粒度及粒度分布的测定 粒径及粒径分布的测定是激光粒度仪最普遍的用途。对粉末涂料，已发布的国际标准ISO831013CoatingPowders2Part13:ParticleSizeAnalysisbyLaserDiffraction 规定了用激光衍射法直接测量粉末涂料等效球体粒径分布的方法。实际上该测试方法也适用其他干粉状试样的粒度测试。依照此测试方法曾对粉末涂料、二氧化钛、铁红、珠光颜
7、料、磷酸锌、硫酸钡、锌粉等多种粉状试样进行了粒度分布的测试。图1为某种粉末涂料的粒度分布曲线(激光粒度仪还有以表格法、函数法表示的粒度分布以及其它一些粒径参数值，在此从略) 。图1粉末涂料的粒度分布图 从图1的数据可知，颗粒粒径比例最高的在52.5062.50m 范围内，占颗粒总体积的12.28%;粒径小于40.73m 的颗粒占总体积的50%。经仪器计算得到体积平均粒径(VMD)=43.04m;表面积平均粒径(SMD)=25.18m。 原则上涂料中的所有颗粒物都可采用激光粒度仪测量其粒度和粒度分布。但受仪器测试范围的限制，对超细颗粒(如纳米材料) 采用激光衍射散射式粒度仪已不能准确测量其粒径，
8、应选用根据光子相关光谱技术制备的仪器测量(颗粒粒度在1nm1m)。此外目前生产的激光粒度仪受设备材质限制，分散介质只能用水或乙醇的水溶液，因此在涂料工业中只能对水性体系的涂料及相关产品选用湿法直接测试，对溶剂型涂料及相关产品尚不能直接测试。 二、衍射在印染行业的应用紫外一可见分光光度计用于吸收光谱分析的紫外-可见分光光度计的发展已相当成熟。虽然目前市售的各种紫外-可见分光光度计在精度、自动化程度和功能完善程度等方面的差异很大，但基本构成都包括光源、单色器、比色池、检测系统和显示系统五大部分 其中单色器将光源发出的连续光谱分解为单色光的元件，称为色散元件，它与入射狭缝、出射狭缝和斩光镜等一起组成
9、单色器。早期或简易的设备通常采用棱镜为色散元件，目前已不多见；而现代的紫外可见分光光度计，一般都采用光栅作为色散元件。光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅是用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成；复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成。全息光栅通常包括正弦刻槽。刻划光栅具有衍射效率高的特点，全息光栅光谱范围广，杂散光低，且可作到高光谱分辨率。光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都发挥着极大的作用。无论是穿透吸收光谱，还是荧光光谱，拉曼光谱，如何获得单波长辐射是不可缺少的手段。由于现代单色仪可具有很宽
10、的光谱范围（UV- IR） ，高光谱分辨率（到0.001nm）,自动波长扫描，完整的电脑控制功能极易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统，使用电脑自动扫描多光栅单色仪已成为光谱研究的首选。当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长（颜色） 。利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝。通过电脑控制可精确地改变出射波长。光栅是利用光的衍射与干涉作用而制成的一种色散元件。当入射光射到光栅表面时，发生光的衍射和干涉，通过控制入射角变化，可反射出不同波长的单色光，达到色散效果。它的优点是适用波长范围宽、色散均匀和分辨率高等。缺点是
11、经色散的光谱会有重叠，而相互干扰，但通过选用适当的滤光片，可消除次级光谱的干扰。光栅是现代光谱分析仪器的核心元件，有平面和凹面两种。在制造工艺上，全息光栅已经全面取代了刻划光栅。为提高光能量的利用率，闪耀光栅的使用也日渐普遍，而凹面光栅的使用，使现代光谱分析仪器的分光系统得以大大简化。的使用也日渐普遍，而凹面光栅的使用，使现代光谱分析仪器的分光系统得以大大简化。总结：光的衍射现象十分的有趣，在我们的学习中，已经从简单的光的衍射现象到讨论其规律，并且能够根据叠加原理说明在光的衍射现象里光的强度分布。其中工业应用中光的衍射和其他光学性质都有相互之间的应用。总体来说，光的衍射的工业应用，光的衍射应用在于工业上面还需要进行开发利用。不能仅仅局限于实验研究方面，相信在不久的将来，光的衍射应用会在工业上带来工大的经济效益。参考文献：【1】题目：粒度测试及激光衍射粒度测试法在涂料工业中的应用 http:/ 【2】百度百科 光的衍射http:/ 一) 紫外- 可见吸收光谱分析技术：http:/ 【4】大学物理学 第四册 波动与光学 第二版 清华大学出版社 主编 张三慧
