【技術實現步驟摘要】
本申請涉及激光應用，尤其涉及一種氣溶膠單顆粒原位粒徑測量方法及裝置。
技術介紹
1、氣溶膠是指懸浮于空氣中的液態或固態顆粒物，粒徑是氣溶膠最重要的參數之一，很大程度上決定著氣溶膠顆粒物的功能和效應。通過測量氣溶膠單顆粒的粒徑，可以更準確地了解氣溶膠的組成、來源和轉化過程，以及有助于評估其在大氣中的行為、壽命以及對環境的潛在影響，可實施監測空氣質量，為環境保護和污染控制提供數據支持。另外，不同粒徑的氣溶膠顆粒對人體健康的危害程度不同。細顆粒物更容易進入人體肺部，甚至進入血液系統，對人體健康造成嚴重影響，因此測量氣溶膠單顆粒的粒徑對于評估健康風險具有重要意義。
2、目前氣溶膠粒度分析方法分為離線測量和在線測量兩種。離線測量分析方法是將氣溶膠樣品收集后，移送至實驗室內利用篩分法、顯微鏡(圖像)法、沉降法(重力沉降法和離心沉降法)、滲透法等常規分析方法對氣溶膠樣品進行分析。離線測量分析方法雖然能夠提供高精度的測量結果，但因為樣品需要從采集點移送至實驗室，費時費力，導致時效性不足，也無法對氣溶膠粒度進行實時測量。
3、在線測量方法是將氣溶膠樣品進行原位直接測量的方法，不需要移送氣溶膠樣品，時效性好，能夠對氣溶膠粒度進行實時測量。目前主要使用的氣溶膠粒度在線測量方法為激光散射法和動態光散射法，它們無需樣品采集，測試速度快，測試范圍廣。激光散射法的原理為利用激光作為光源，當激光束透過透明介質時，會受到介質內部微粒的散射作用，使激光束的傳播方向發生改變，通過測量散射光的這些特性，并利用相關的物理模型和算法，可以反推出氣溶
4、動態光散射法的原理為當激光束照射到懸浮在液體或氣體的顆粒時，顆粒會散射光，這些散射光的強度會隨顆粒的布朗運動而波動。由于布朗運動的速度與顆粒的大小和媒體的粘度有關，可以通過分析光強的波動來反推出顆粒的粒徑。但由于氣溶膠顆粒通常非常微小且數量龐大，從而動態光散射法由于測量原理的限制也只能測量氣溶膠顆粒群的粒度分布，而不能直接測量出氣溶膠單顆粒的粒徑。
5、綜上所述，現有的氣溶膠粒度分析方法都不能實現氣溶膠單顆粒粒徑的精準原位測量。
技術實現思路
1、本申請實施例通過提供一種氣溶膠單顆粒原位粒徑測量方法及裝置，能夠解決現有的氣溶膠粒度分析方法都不能實現氣溶膠單顆粒粒徑的精準原位測量的問題。
2、為了實現上述目的，本專利技術實施例的技術方案是：
3、第一方面，本專利技術實施例提供了一種氣溶膠單顆粒原位粒徑測量方法，包括：
4、用一束激光制備一束內徑尺寸可調的空心光束；
5、用所述空心光束獲得具有兩個光阱的檢測區域；
6、在所述檢測區域內放置已知第一粒徑的標準顆粒，當觀測到第一個所述光阱穩定捕獲所述標準顆粒后，阻擋產生第一個所述光阱的光束，使所述標準顆粒在第二個所述光阱的作用力下被第二個所述光阱捕獲，獲取所述標準顆粒從第一個所述光阱到第二個所述光阱的第一特征飛行時間；
7、根據所述第一特征飛行時間得到第二個所述光阱的剛度；
8、將待測氣溶膠放置于所述檢測區域內，當觀測到第一個所述光阱穩定捕獲所述待測氣溶膠中的待測單顆粒后，阻擋產生第一個所述光阱的光束，使所述待測單顆粒在第二個所述光阱的作用力下被第二個所述光阱捕獲，獲取所述待測單顆粒從第一個所述光阱到第二個所述光阱的第二特征飛行時間；
9、根據第二個所述光阱的剛度和所述第二特征飛行時間計算得到所述待測單顆粒的第二粒徑。
10、結合第一方面，在一種可能的實現方式中，所述用一束激光制備一束內徑尺寸可調的空心光束，包括：
11、出射一束激光；
12、將所述激光分為第一光束和第二光束；
13、使所述第一光束和所述第二光束沿相反方向對射，且傳播路徑重合；
14、將所述第一光束射入非線性介質；
15、將所述第二光束聚焦后得到聚焦光束，所述聚焦光束射入所述非線性介質且焦點位于所述非線性介質的中心；
16、改變所述第一光束的功率和所述聚焦光束的功率，所述第一光束和所述聚焦光束對射重合后的光束經過反射后得到內徑可調的空心光束。
17、結合第一方面，在一種可能的實現方式中，所述用所述空心光束獲得具有兩個光阱的檢測區域，包括：
18、將所述空心光束分為第一空心子光束和第二空心子光束；
19、使所述第一空心子光束和所述第二空心子光束沿相反方向對射，且傳播路徑重合；
20、使所述第一空心子光束和所述第二空心子光束聚焦且焦距相距預設距離獲得具有兩個光阱的檢測區域。
21、結合第一方面，在一種可能的實現方式中，所述特征飛行時間的計算方法為：
22、通過擬合顆粒從第一個所述光阱飛入第二個光阱的位置軌跡與時間的關系曲線獲得特征飛行時間τ，擬合公式為：x(t)＝aexp(-t/τ)，其中，x為顆粒從第一個所述光阱飛入第二個光阱的位置，t為時間。
23、結合第一方面，在一種可能的實現方式中，所述剛度的計算公式為：
24、
25、式中，kx為剛度，η為空氣粘滯系數，a為顆粒粒徑，τ為特征飛行時間。
26、第二方面，本專利技術另一實施例提供了一種氣溶膠單顆粒原位粒徑測量裝置，包括空心光束制備機構、光阱制備機構和圖像采集機構；
27、所述空心光束制備機構被配置為用一束激光制備一束內徑尺寸可調的空心光束；
28、所述光阱制備機構設置于所述空心光束制備機構的出射光路上，被配置為用所述空心光束獲得具有兩個光阱的檢測區域；
29、所述檢測區域位于所述圖像采集機構的焦平面內，在所述檢測區域內放置已知第一粒徑的標準顆粒，所述圖像采集機構觀測到第一個所述光阱穩定捕獲所述標準顆粒后，阻擋產生第一個所述光阱的光束，使所述標準顆粒在第二個所述光阱的作用力下被第二個所述光阱捕獲，所述圖像采集機構獲取所述標準顆粒從第一個光阱到第二個光阱的過程，以獲得第一特征飛行時間；
30、將待測氣溶膠放置于所述檢測區域內，所述圖像采集機構觀測到第一個所述光阱穩定捕獲所述待測氣溶膠中的待測單顆粒后，阻擋產生第一個所述光阱的光束，使所述待測單顆粒在第二個所述光阱的作用力下被第二個所述光阱捕獲，所述圖像采集機構獲取所述待測單顆粒從第一個光阱到第二個光阱的過程，以獲得第二特征飛行時間。
31、結合第二方面，在一種可能的實現方式中，所述空心光束制備機構包括激光器、第一二分之一波片、第一偏振分束器、第二二分之一波片、第二偏振分束器、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、放置盒、第一透鏡、第三二分之一波片和第三偏振分束器；
32、所述激光器被配置為出射一束激光；
33、所述第一二分之一波片和所述第一偏振分束器由前到后依次設置于所述激光器的出射光本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種氣溶膠單顆粒原位粒徑測量方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的氣溶膠單顆粒原位粒徑測量方法，其特征在于，所述用一束激光制備一束內徑尺寸可調的空心光束，包括：
3.根據權利要求1所述的氣溶膠單顆粒原位粒徑測量方法，其特征在于，所述用所述空心光束獲得具有兩個光阱的檢測區域，包括：
4.根據權利要求1所述的氣溶膠單顆粒原位粒徑測量方法，其特征在于，所述特征飛行時間的計算方法為：
5.根據權利要求1所述的氣溶膠單顆粒原位粒徑測量方法，其特征在于，所述剛度的計算公式為：
6.一種氣溶膠單顆粒原位粒徑測量裝置，其特征在于，包括空心光束制備機構、光阱制備機構和圖像采集機構；
7.根據權利要求6所述的氣溶膠單顆粒原位粒徑測量裝置，其特征在于，所述空心光束制備機構包括激光器、第一二分之一波片、第一偏振分束器、第二二分之一波片、第二偏振分束器、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、放置盒、第一透鏡、第三二分之一波片和第三偏振分束器；
8.根據權利要求7所述的氣溶膠單顆粒原位粒徑測量裝置，其特征在于，
9.根據權利要求6所述的氣溶膠單顆粒原位粒徑測量裝置，其特征在于，光阱制備機構包括第四二分之一波片、第四偏振分束器、第四反射鏡、第五反射鏡、第六反射鏡、第二透鏡、第七反射鏡、第八反射鏡和第三透鏡；
10.根據權利要求6所述的氣溶膠單顆粒原位粒徑測量裝置，其特征在于，所述圖像采集機構包括成像器件和顯微物鏡；
...【技術特征摘要】
1.一種氣溶膠單顆粒原位粒徑測量方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的氣溶膠單顆粒原位粒徑測量方法，其特征在于，所述用一束激光制備一束內徑尺寸可調的空心光束，包括：
3.根據權利要求1所述的氣溶膠單顆粒原位粒徑測量方法，其特征在于，所述用所述空心光束獲得具有兩個光阱的檢測區域，包括：
4.根據權利要求1所述的氣溶膠單顆粒原位粒徑測量方法，其特征在于，所述特征飛行時間的計算方法為：
5.根據權利要求1所述的氣溶膠單顆粒原位粒徑測量方法，其特征在于，所述剛度的計算公式為：
6.一種氣溶膠單顆粒原位粒徑測量裝置，其特征在于，包括空心光束制備機構、光阱制備機構和圖像采集機構；
7.根據權利要求6所述的氣溶膠單顆粒原位...
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