動的レーザー光多重散乱現象の統計的特性

1993 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 04452098
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 朝倉 利光 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (70001188)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 原田 康浩 北海道大学, 電子科学研究所, 助手 (80198928) ; 岡本 卓 北海道大学, 電子科学研究所, 助手 (40204036) ; 魚住 純 北海道大学, 電子科学研究所, 助教授 (50184982)
• Keywords: レーザー光多重散乱 / 動的光散乱 / 粒子懸濁液 / ブラウン運動 / 粒径計測 / 流速計測 / 波長相関

Research Abstract

微粒子懸濁液に二波長相関法を適用し、多重散乱光の時間的特性を実験的に解析した。二つの異なる波長をもつコヒーレント光を試料に照射すると、粒子の運動および散乱現象の波長依存性によって、二波長の散乱光強度は異なる時間変動を示す。これらの強度ゆらぎを同時かつ独立に検出し、その相互相関関数ならびにおのおのの自己相関関数を測定・評価した。その結果、従来の一波長を用いた手法では測定が困難であった、微粒子の動的特性および散乱媒質の構造特性に関する情報が得られた。具体的な成果を以下に示す。
1.ガラスセルに入れた懸濁液試料を一定速度で動かすと、試料中の微粒子はブラウン運動を行いながら一様に移動することになる。光が多重散乱を起こす高濃度懸濁液の場合、従来の一波長自己相関法ではブラウン運動からの寄与が散乱光のゆらぎを支配するため、流れの速度を検出することが困難であった。しかし、二波長の相互相関関数を評価した結果、ブラウン運動の影響が除去され、散乱体の流速のみを選択的に抽出できることが明らかとなった。さらに、自己相関法の場合、相関関数が粒子濃度に大きく依存するのに対し、相互相関法は濃度にほとんど依存しないことも示された。以上の結果をもとに、新たなレーザー速度計測の原理を提案した。
2.二波長相互相関法は、散乱体の動的な情報のみならず、二つの強度ゆらぎの相関度、すなわち相関係数という評価量も同時に得られる。この相関係数と微粒子の濃度や粒径との関係を調べた結果、個々の粒子の散乱断面積および粒子数密度が相関係数を支配していることが明らかとなった。これらの関係は非常に複雑であるため、相関係数から散乱体の特定の物理量を知ることは現在のところ困難である。ただし、照明・検出系のパラメータを変化させて複数の物理量を同時に決定できる可能性があり、これが今後の大きな研究課題の一つであろう。

Research Products

• [Publications] Takashi Okamoto: "Multiple light scattering from a moving layer of Brownian particles:comparison with a rigid phase screen" Waves in Random Media. 3. 211-219 (1993)
• [Publications] Takashi Okamoto: "Cross-spectral correlation of dynamic speckles from a moving layer of particle suspensions" Proc.3rd International Congress on Optical Particle Sizing. 97-102 (1993)
• [Publications] Takashi Okamoto: "Spectral decorrelation of dynamic speckles from concentrated colloidal suspensions in a uniform flow" Optics Communications. 103. 355-360 (1993)
• [Publications] 岡本卓: "多重散乱光の波長相関特性" 電子科学研究. 1. 79-80 (1993)
• [Publications] 岩井俊昭: "光散乱現象研究の展開-単一散乱から多重散乱まで-" 応用物理. 63. 14-22 (1994)