基于液芯柱透镜实现不同浓度溶液扩散系数的快速测量与计算

Liquid diffusion coefficient (D) is a fundamental data in the study of mass-transfer process and the calculation of mass-transfer rate. Its accurate measurement is important in Physics, Chemistry and Biology fields. The liquid-core cylindrical lenses (LCL) has spatially resolving ability for measuring refractive index (RI), which can be used to observe the diffusion process and measure liquid D values. Measuring liquid D values based on LCL is characterized by simpler experimental equipment, higher stability, direct observation of diffusive process and faster measurement compared with the traditional measuring methods. While, it is still a costly and time-consuming work to measuring the liquid D values at different concentrations based on the current technologies. This project will analyze the imaging system based on the diffraction optics theory and optimize the system parameter, aimed at improving the RI resolution of LCL to 10-5RIU. Injecting diffusion solutions into the core of LCL, and simulating the dynamic diffraction image received by CCD based on the scalar diffraction theory, we will compare the simulation image and experimental image point by point, and work out the liquid D values at different concentrations. This project will realize fast measurement liquid D values at different concentrations based on only once experiment for the first time, taht will reduce the measurement time greatly from several days in traditional methods to less than half an hour, enrich the technical means for measuring liquid D values based on the LCL, and establish the foundation for enriching the related data needed in the chemical industry and pharmaceutical field quickly.

液相扩散系数是研究传质过程、计算传质速率的重要基础数据，它的精确测量对于物理、化学、生物等科学领域均具有重要的意义。液芯柱透镜（LCL）对液体折射率具有空间分辨特性，可用以观察扩散过程，测量液相扩散系数，与传统测量方法相比具有实验装置简单、稳定性高、扩散过程可视化、实验过程耗时短等优点，但以目前的技术手段测量不同浓度溶液的扩散系数仍费时费力。本项目将基于衍射光学处理成像系统，优化其参数，将LCL对折射率的分辨能力提高到10-5RIU量级。在LCL中注入扩散溶液，基于标量衍射理论，对CCD接收到的由扩散引起的动态衍射图像进行仿真，并将其与实验图像分段对比，计算得到不同浓度溶液的扩散系数。该项目将首次实现通过一组实验快速获得不同浓度溶液扩散系数的目的，将测量时间由传统方法的几天缩短到半个小时以内，丰富了基于液芯柱透镜测量液相扩散系数的技术手段，为快速充实化工、制药等领域需要的相关数据奠定基础。

液相扩散系数D是研究传质过程、计算传质速率以及化工设计与开发的重要基础数据。在空芯柱透镜中注入液体形成的液芯柱透镜是一个具有折射率空间分辨能力的成像系统，将其应用于D值的测量与传统方法相比具有装置简单、稳定性高、扩散过程可视化等优点。本项目围绕D值测量的问题主要开展了探索更优测量技术手段以及通过优化核心光学元件提高测量准确度两个方面的研究。前期工作中本项目将一款自主设计的非对称液芯柱透镜作为扩散池，在其中依次注入等体积的乙二醇和水作为待测扩散溶液体系。基于柯林斯公式，对CCD接收到的由扩散引起的动态衍射图像进行仿真，并将其与实验图像进行对比，迅速计算得到无限稀释乙二醇溶液在水中的扩散系数。该方法将测量时间由传统方法的几天缩短到半个小时以内。然而非对称液芯柱透镜存在球差随注入液体折射率的改变波动大（最大球差高达数百微米），折射率分辨能力较低（劣于10-4RIU）等问题，作为核心成像元件，限制了D值测量的准确度。为改善成像质量、提高测量精度，本项目设计并制作了两款消球差效果显著的连续变焦液芯柱透镜。其中一款利用双胶合柱透镜（Doublet）在整个变焦范围内消除对称液芯柱透镜（SLCL）球差的透镜组（SLCL-Doublet）已加工并投入使用。当SLCL-Doublet中注入的液体折射率由1.3300变化到1.5000时，其焦距由101.406 mm连续变化为54.162 mm。当入瞳直径为19 mm（约为0.75倍的柱透镜外径尺寸）时，在整个变焦范围内，SLCL-Doublet的焦平面弥散斑几何半径尺寸始终小于12 μm，均方根半径尺寸始终小于7 μm（大约为常用CCD的两个像元尺寸），实现了良好的消球差效果；当焦距在65.814 mm到62.373 mm之间时，峰-谷波前像差小于λ/4，成像质量接近衍射极限。此外，在整个变焦范围内，SLCL-Doublet对折射率的分辨能力始终优于10-5 RIU。成像质量以及折射率分辨能力两个方面的提升势必会大幅度提高D值得测量准确度。经项目组的努力，基于液芯柱透镜快速测量与计算不同浓度溶液扩散系数的技术已见雏形，能够发展成为一种具有完全自主知识产权的液相扩散系数测量技术。