【DWS】非破壞檢測技術－擴散波光譜法

Diffusing Wave Spectroscopy

擴散波光譜法（Diffusing Wave Spectroscopy, 簡稱DWS），是一種先進的光散射技術，它主要應用於微流變學（microrheology）[1]和粒徑分析（particle sizing）[2]，而這兩種應用均是利用擴散波光譜法能測量背向散射光或透射光隨時間變動的能力，而得到分散在溶劑中粒子的均方位移（mean square displacement, MSD）[3]。

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圖上方為設置一個擴散波光譜的實驗，當光源穿透含有粒子的樣品時，粒子會以「布朗運動」的方式，呈現隨機漫步（random walk）的移動狀態。

圖下方為從所測量布朗運動下強度波動的情況，可以計算出強度相關函數（ICF）與粒子的均方位移（MSD）。

如圖所示，穿透光的強度會隨時間變動，因而呈現斑點的圖案，此乃是散射粒子在樣品中的運動與原先相干的光源共同呈現出來的結果。粒子在樣品中所進行的布朗運動，對於粒子局部環境的流變學是非常敏感的，因為這個原因，粒子運動在描繪介質的流變學特性上，成為一個可靠的探究及線索來源。

當光被連續的散射時就會造成有如擴散的現象，如果散射粒子是在運動的情況下，將會形成「沸騰散斑圖案」（boiling speckle pattern），從其波動的強度中可以計算出均方位移，更進一步得到儲存模數G'(ω)和損失模數G''(ω)。

量測與分析散射光強度隨時間變動的方式與動態光散射法（dynamic light scattering, DLS）相似，先計算出強度相關函數（ICF），接著可以得到粒子的均方位移（MSD）[3]，然而，在擴散波光譜法中，所偵測到的每一個光子都是被好幾個粒子散射，而在動態光散射法（DLS）中，光子只被散射一次，因此，相形之下，擴散波光譜法對於小粒子的位移更加靈敏。而動態光散射法通常可以偵測幾個奈米的位移，擴散波光譜法則可以測量次奈米的位移，其結果顯示，擴散波光譜法是研究慢動力學（slow dynamics）和非各態歷經（non-ergodic）樣品，如凝膠、泡沫，和高濃縮懸浮液的絕佳工具。此外，結合高效率的光電偵測器，擴散波光譜法可以量測粒子在高達10⁶ Hz頻率下的位移，這樣的頻率範圍是其它技術無法達到的。

資料來源

Mason, T. G.; Weitz, D. A. Optical Measurements of Frequency-Dependent Linear Viscoelastic Moduli of Complex Fluids, Physical Review Letters 74, 1250-1253 (1995)

Scheffold, F. Particle Sizing with Diffusing Wave Spectroscopy, Journal of Dispersion Science and technology 23, 591-599 (2002)

Weitz, D. A.; Pine, D.J. Diffusion Wave Spectroscopy. In Dynamic Light Scattering; Brown, W., Ed.; Oxford University Press: New York, 652-720 (1993)

關鍵字詞

DWS, Diffusing Wave Spectroscopy︰擴散波光譜法。

DLS, Dynamic Light Scattering︰動態光散射法。

MSD, Mean Square Displacement︰均方位移。

ICF, intensity correlation function︰強度相關函數。

Non-ergodic sample︰非各態歷經樣品。

Brownian motion︰布朗運動。

Random Walk︰隨機漫步。

Speckle Pattern︰斑點圖案。

Boiling Speckle Pattern︰沸騰散斑圖案。

G''(ω), Storage Modulus︰儲存模數。

G''(ω), Loss Modulus︰損失模數。