在空气质量监测、环境治理和工业安全等场景中，颗粒物就像漂浮在空气中的“微尘暗流”，它们的来源、尺寸与浓度变化常常揭示环境背后隐藏的故事。颗粒物检测不仅与人体健康相关，在工业制造中，目标颗粒的大小也是良品率的重要指标。而在这些微米甚至纳米级微尘的观测中，激光技术正扮演一根“穿透迷雾的光针”，让我们得以探测肉眼无法辨识的世界。

那么，激光究竟是如何“看见”这些微小颗粒的呢？

激光照射到颗粒物时，光与物质的相互作用会产生包括散射、吸收、消光在内的多种光学效应。不同尺寸、不同成分的颗粒，会在激光的照射下表现出不同“光学指纹”。这就为颗粒物检测提供了基础物理机制。

激光遇上颗粒物：从“光路”到“粒径”

01｜散射：最常用的颗粒物“显影术”

当稳定的激光束遇到流体中的颗粒物时，会发生不同形式的散射。散射的类型主要取决于颗粒物尺寸与激光波长的相对大小，常见的包括瑞利散射、米氏散射等：

• 瑞利散射（Rayleigh Scattering）：

  适用于粒径远小于波长的极小颗粒（一般 < 100 nm），适用于均匀纯净介质的密度起伏导致的散射，散射强度与颗粒粒径的六次方成正比，与入射光波长的四次方成反比。这种强烈的幂次依赖关系，使得瑞利散射成为探测微小颗粒和分析物质成分的有力工具。

瑞利散射

• 米氏散射（Mie Scattering）：

  颗粒大小接近光波长时，向前的散射成分越来越多，而向后散射则相对减少，这就是米氏散射效应。当颗粒物的物理尺寸与入射激光的波长处于同一数量级时，其光散射行为会呈现出高度复杂的角分布特征。米氏散射对波长的依赖性较弱，没有像瑞利散射那样简单统一的数学关系。其散射强度与波长的关系大致呈负相关，但具体形式非常复杂，强烈依赖于散射粒子的大小、形状和折射率。

米氏散射

不同粒径的 Mie 散射角度分布

• 几何光学散射（Geometric Optics）：

  粒子远大于波长时，由反射、折射及表面波共同形成散射信号。这些散射信号可以从多个方向收集（前向、侧向、后向），每种角度对粒径的敏感度都不同。

02｜吸收与消光：颗粒物“削弱光线”的痕迹

当粒子具有较强吸光特性（如黑碳、烟尘）或者具有荧光效应等，光强衰减除散射外，还包含显著的吸收损失。此时适用：

• 朗伯-比尔定律（Beer–Lambert Law）：

  该定律用于描述物质对光吸收强度与吸光物质浓度、吸收层厚度之间定量关系的基本定律，出射光强I=I₀e^-aL，其中系数α与颗粒物浓度、吸光系数密切相关。

• 消光（Extinction） = 吸收（Absorption） + 散射（Scattering）：

  消光（也称为衰减）是由吸收和散射两部分共同作用的结果，在测量透射光时，探测器只接收未被吸收且仍沿直线前进的光。因此，任何因吸收而损失的能量和因散射而偏离方向的光子，都会导致透射光信号的减弱，消光系数在极端细颗粒监测（如黑碳）中尤为关键。

激光颗粒物检测仪的构成

光散射粒径测量的原理示意图

常见的激光颗粒物传感器主要由以下几个核心部分协同工作：激光光源、采样通道、散射光收集系统、信号处理系统。空气中的颗粒物被激光照射时，会产生散射光。散射光的强度、角度等信息（即散射信号），与颗粒物的粒径和浓度存在确定的对应关系。传感器通过一个预先建立好的“对照模型”，从测到的散射光信号中反推出空气中颗粒物的实时浓度和粒径分布。这使得一个小小的传感器，就能在毫秒级给出空气颗粒物的实时浓度与粒径分布信息。

从“看不见”到“量得准”，激光开启信息通道

当下，激光颗粒物检测技术已经深入空气质量监测站、空气净化设备、智能家居、工业排放监测等场景，无论是空气质量检测站、空气净化设备，还是智能家居中的传感器、工业排放检测的走航车都充分利用了激光技术。这些实例表明，激光颗粒物检测技术已从单一的测量工具，发展为连接数据感知与精准治理的核心环节。