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研究生:江弘捷
研究生(外文):CHANG, HUNG-CHIEH
論文名稱:水溶液的熱擴散致被迫瑞利散射研究
論文名稱(外文):Study of Thermal Diffusion Forced Rayleigh Scattering in Aqueous Solutions
指導教授:魏台輝
指導教授(外文):WEI, TAI-HUEI
口試委員:曲宏宇陳慶緒
口試委員(外文):CHU, HONG-YUCHEN, CHING-HSU
口試日期:2017-07-27
學位類別:碩士
校院名稱:國立中正大學
系所名稱:物理系研究所
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2017
畢業學年度:106
語文別:中文
論文頁數:68
中文關鍵詞:熱擴散致被迫瑞利散射
外文關鍵詞:TDFRS
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熱擴散(亦稱為索雷特效應(Ludwig-Soret Effect)或熱泳)意指溫度梯度在多元溶液中造成各成分分子沿溫度梯度方向的不同程度傳輸,致使各成分的濃度分率(莫耳濃度分率或者質量分率)隨時之改變而改變。質量擴散則意指多元溶液中各成分濃度分率梯度所引起的質量傳輸效應。
在過去,本實驗室使用兩道相干的532 nm CW Nd:YVO4雷射光為寫入光源(pump),另以一道633 nm的CW He-Ne雷射光作為偵測光源(probe),在摻有微量甲基紅染料的二元混合溶液樣品中進行熱擴散致被迫瑞利散射(Thermal Diffusion Forced Rayleigh Scattering,TDFRS)實驗,藉以調查二元溶液中個別成分的熱擴散與質量擴散效應。當寫入光源在此摻有染料的二元混合溶液中造成熱致光柵(thermally induced grating)時,藉著量測偵測光通過光柵後所產生布拉格繞射光強隨時間變化的情形,我們得以探討二元混合溶液中熱致光柵隨時間變化的情形,進而了解熱擴散與質量擴散機制。
本論文重點在於量測水-乙醇(Water-Ethanol)二元溶液的TDFRS繞射訊號,利用程式模擬探討索雷特係數對繞射訊號的影響,並說明在部分情況下傳統TDFRS可量測出索雷特係數的正負號,以及計畫未來加入外差探測量測技術使實驗更加完整。
The key phenomena involved in this study include thermal and mass diffusions. Here, by thermal diffusion, namely the Ludwig-Soret effect or thermophoresis, we mean mass transport of individual constituents of multi-component solutions induced by the gradient of solution temperature. By mass diffusion we mean mass transport of each constituent induced by the existent gradient of molar fraction of the solutions constituents.
In the past few years, we have employed the technique known as thermal diffusion forced Rayleigh scattering (dubbed TDFRS) to investigate the variation of periodical refractive index induced in binary liquid solutions with a small fraction of methyl red dye dissolved in as the absorber of the pump beams at 532 nm. In TDFRS experiments, we split the output of the 532 nm CW Nd:YVO4 laser into two beams as the pumps, referred to as the writing beams, and a CW He-Ne laser beam at 632.8 nm as the probe, namely, the reading beam. The pump beams intersect in the solutions and create a thermal refraction grating therein to diffract the probe beam. By measuring and analyzing the power of the diffracted 632.8 nm light as a function of time, we investigated how the thermal and mass diffusion properties of the binary solution mixtures evolve with time. To interpret the TDFRS experimental result, we appeal to the thermal and mass diffusions.
In this thesis, we demonstrate that traditional TDFRS can distinguish sign change of the Soret coefficient without optical heterodyne detection schemes for some conditions. We eventually need to modify this technique to enable optical heterodyne detection. Therefore, we further discussed how to install this modification in the thesis.

摘要 I
ABSTRACT II
目錄 III
第一章 緒論 1
1.1 TDFRS發展歷史與文獻 1
1.2 本實驗室的TDFRS研究歷史 3
1.3 研究動機與目的 6
第二章 TDFRS基本理論 7
2.1 光柵的形成以及繞射效率與索雷特係數的關係 8
2.1.1 強度光柵 8
2.1.2 溫度光柵 11
2.1.3 密度光柵 13
2.1.4 質量分率光柵 14
2.1.5 折射率光柵 17
2.1.6 繞射效率與索雷特係數的關係 19
2.2 外差探測技術與外差繞射效率 21
2.2.1 外差探測技術 21
2.2.2 外差繞射效率 24
第三章 實驗架設的改良與量測系統 28
3.1 實驗樣品 28
3.1.1 樣品性質簡介 28
3.1.2 樣品製備流程 30
3.2 實驗架設 31
3.3 高斯光束的聚焦與擴束 34
3.4 繞射訊號探測系統簡介 36
3.4.1 光電倍增管(Photomultiplier tube,PMT) 36
3.4.2 電流前置放大器(Current preamplifier) 41
3.4.3 示波器(Oscilloscope) 41
第四章 實驗結果與討論 43
4.1 三種二元溶液的實驗繞射訊號結果 43
4.1.1 乙醇-水混合溶液不同溶劑體積比的繞射訊號 43
4.1.2 乙醇-二硫化碳混合溶液不同溶劑體積比的繞射訊號 46
4.1.3 甲醇-水混合溶液在不同溶劑體積比時的繞射訊號 48
4.2 水-乙醇二元溶液繞射訊號的理論模擬 50
第五章 結論與展望 54
5.1 結論 54
5.2 未來工作 54
附錄 57
A.光柵的種類與特性 57
A.1光柵的種類 57
A.2光柵的特性 59
B.線性奈米移動平台系統 61
參考文獻 64

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