基于用几何光学和米散射法的球形粒子前向散射特性计算研究

分别用几何光学(GOM)、Lorenz-Mie散射方法计算了0.55 m波段球形粒子的散射特性,并对两种计算方法的准确性进行了分析。研究了粒子尺度参数、折射率虚部对粒子0散射相函数的影响。结果表明:在粒子尺度参数大于60时,GOM计算的球形粒子的散射特性与Mie非常接近。在粒子尺度参数小于1 000时,两种方法得到的前向散射相函数与粒子尺度参数均成二次方关系,且计算结果基本一致;随着粒子尺度参数的增大,前向散射与尺度参数之间将逐步失去二次方关系。当粒子尺度参数大于10 000时,采用GOM方法得到的结果要比Mie散射方法的结果偏大;当粒子尺度一定时, 0散射相函数与折射率虚部之间呈先增大后减小的规律。     

血管的光学透射特性

研究了650nm半导体激光对人与猪血管的透射特性。结果表明：在单次散射的情况下，猪静脉内膜、中膜和外膜的平均全衰减系数分别为95.7、136.4和122.5；猪动脉内膜、中膜和外膜的平均全衰减系数分别为126.7、137.4和107.6；人的股动脉血管与猪心脏的静脉、动脉血管的透射率相近，约为0.3左右；短时间福尔马林浸泡对血管透射率的影响不大；就血管整体而言，当血管厚茺为0.5mm和2mm时，透射率分别为0.19与0.12。     

机载激光测深海水后向散射包络的频域分析

根据机载激光测深海水后向散射雷达方程,在机载激光测深系统典型参数情况下,详细分析了海水衰减系数、海水反照率、飞机高度以及光学接收系统全视场角对海水后向散射频谱的影响。得到了: 当衰减系数C 从0. 2/ m 变到0. 9/ m 时, 后向散射包络频谱将展宽236MHz ;当海水反照率ω从0. 1 变到0. 9 时,后向散射包络频谱将展宽220MHz ;机载激光测深系统接收视场角和飞机高度对系统探测到的海水后向散射包络频率无显著影响;当最小可探测功率Pb = 1. 56 ×10 - 10W 时,在典型的实验参数条件下后向散射包络的频率范围为0 < f< 5. 6 ×108Hz。     

单频激光抽运的石英光纤宽带受激拉曼散射实验研究

采用单频高功率Nd∶YVO4 激光的倍频光 (5 32nm)作为抽运源 ,激发长度为 2 5 0m和 92 0m的单模石英光纤 ,开展了石英光纤在可见光谱范围内的受激拉曼散射实验研究 ,获得了宽带宽的、第 1级到第 4级受激拉曼散射Stokes光谱 ,拉曼频移峰值分别为 4 5 0cm- 1 ,10 6 4cm- 1 ,16 10cm- 1 和 2 16 8cm- 1 。     

哺乳动物组织体中光能流率测量

本文使用自行设计的光纤探针深度计,实现了哺乳动物组织体中光能流率的精确测定,并结合后向散射反射率的测量结果,利用Monte Carlo模型的部分结论,计算出了猪肉和牛肉组织的光学特性参数。     

光学相干层析系统的成像数学模型研究

生物组织样品的光学特性可以由光学相干层析成像系统探测到的后向散射功率确定，文中建立了入射光线在样品介质内的一阶散射数学模型，揭示了样品的衰减系数和后向散射系数与系统探测结果之间的关系。     

VO2薄膜材料的变温光学性质及1 550 nm激光防护性能研究

具有半导体-金属态相变性质的二氧化钒材料可用于光电探测器的激光致盲防护。本文报道了基于磁控溅射法制备二氧化钒薄膜材料的结构、形貌特性,以及在不同温度下的光学性质。使用椭偏光谱法测量了下可见-近红外波段二氧化钒材料的椭偏参数,利用Gaussian、Lorentz模型获取了薄膜在相变前的光学性质,结合Drude模型拟合获取了材料在相变后的光学特性,获取了材料在300~1 700 nm之间的变温折射率和消光系数等参数。变功率下1 550 nm红外激光透射率的实验测试研究表明,VO₂薄膜样品的相变阈值功率为12 W/cm²,相变前后透射率由51%减小到15%~17%,开关率69%。     

混浊介质线偏振入射光180°后向散射特性参数的测定

利用生物组织等混浊介质偏振入射光的 180°后向散射特性 ,可以反映该介质的内部结构信息。介绍了把混浊介质“黑箱化” ,用旋光度α ,保偏度 β ,反射率r来表征这种散射特性 ,设计了测定特性参数的实验系统 ,并对不同浓度的牛奶的去离子水溶液进行了测定 ,当浓度为 2 5 %时 ,α =3°,β=0 .15 ,r =0 .0 9。改变样品的浓度 ,3个参数也发生不同程度的改变。     

KubelkaMunk 模型下的人动脉组织对氦氖激光的光学特性

本文测量了人动脉对He-Ne激光的反射和透射传输特性。实验采用两积分球系统及波长为632.8nm的He-Ne激光器,并根据测量数据采用Kubelka-Munk模型分析和计算了人动脉组织对该波长激光的吸收系数、散射系数及总的光强I(x)及前向散射通量i(x)和后向散射通量j(x)的变化情况。结果表明,不同的动脉组织的漫反射率和透射率有明显差别,而且,不同的动脉组织对激光的吸收系数和散射系数也有明显的不同,不同的动脉组织中总的光强I(x)及前向散射通量i(x)和后向散射通量j(x)的变化情况也有明显的区别。     

块状生物组织体准直透射率的直接测量

为了直接测量块状生物组织体的准直透射率，理论分析并实验验证了Ar^＋激光488nm准直光辐照在块状离体猪肌肉组织的透射散射光的空间分布。实验结果表明：组织体厚度大于3～4平均自由程（MFP）时，透射散射光空间分布近似为各向同性，样品后表面的散射光通量为一恒量。满足此条件下，总透射率与准直透射率之差和样品与探测器间距的平方成反比，沿准直光出射的方向改变探测器的位置进行测量，可得到块状生物组织体的准直透射率。     

Use of genetic algorithms to optimize fiber optic probe design for the extraction of tissue optical properties

This paper outlines a framework by which the optimal illumination/collection geometry can be identified for a particular biomedical application. In this paper, this framework was used to identify the optimal probe geometry for the accurate determination of tissue optical properties representative of that in the ultraviolet-visible (UV-VIS) spectral range. An optimal probe geometry was identified which consisted of a single illumination and two collection fibers, one of which is insensitive to changes in scattering properties, and the other is insensitive to changes in the attenuation coefficient. Using this probe geometry in conjunction with a neural network algorithm, the optical properties could be extracted with root-mean-square errors of 0.30 cm(-1) for the reduced scattering coefficient (tested range of 3-40 cm(-1)), and 0.41 cm(-1) for the absorption coefficient (tested range of 0-80 cm(-1)).     

热作用致心肌组织在可见与近红外范围内的光学特性变化

研究了热作用对心肌组织在可见及近红外光谱范围内的光学特性改变。利用带积分球附件的分光光度计测量了心肌组织样品的漫反射率和总透射率,再用反向倍增(IAD)法从这两测量值中获取组织的吸收系数、约化散射系数和光学穿透深度。结果表明,自然的及热处理后的心肌组织的吸收系数、约化散射系数和光学穿透深度都是随着辐照波长的变化而显著变化的。自然的及热凝固后(80℃热处理)的心肌组织的吸收系数均在550 nm附近有一正峰,峰值分别为0.74 mm~(-1)和1.16 mm~(-1)。自然的心肌组织的约化散射系数在550 nm附近出现一正峰,峰值为0.25 mm~(-1);高温处理后此峰消失,而在590～625 nm出现上升坡。低温热处理对心肌组织的吸收系数没有明显的影响,高温热处理后心肌组织的吸收系数增大;心肌组织的约化散射系数随热处理的温度上升而显著地升高;心肌组织的光学穿透深度随热处理的温度上升而显著地减小。     

采用空间分辨漫反射测定胃组织光学特性

研究了人正常胃黏膜及黏膜下层组织对488 nm,514.5 nm,532 nm,630 nm和632.8 nm的激光的光学特性及其差异,实验采用空间分辨反射光和CCD探测器以及非线性拟合确定组织光学特性。结果表明,人正常胃黏膜及黏膜下层组织对五个波长的激光的吸收系数、约化散射系数、光学穿透深度、漫射系数、漫反射率和漫反射率的位移都是随着激光波长的变化而变化的。其吸收系数的最大值在532 nm,其值为0.482 mm-1,最小值在632.8 nm,其值为0.224 mm-1,最大差异在532 nm和632.8 nm之间,其值为115%,最小差异在488 nm和532 nm之间,其值为1.90%。其约化散射系数的最大值在488 nm,其值为5.93 mm-1,最小值在632.8 nm,其值为3.87 mm-1,最大差异在488 nm和632.8 nm之间,其值为53.2%,最小差异在514.5 nm和532 nm之间,其值为3.25%。其光学穿透深度的最大值在632.8 nm,其值为0.612 mm,最小值在488 nm,其值为0.341 mm。其漫射系数的最大值在632.8 nm,其值为0.084 mm,最小值在488 nm,其值为0.055 mm。其漫反射率的最大值在630 nm,其值为0.356,最小值在532 nm,其值为0.271。其Δx的最大值在632.8 nm,其值为0.153 mm,最小值在488 nm,其值为0.100 mm。可见,人正常胃黏膜/黏膜下层组织对五个波长的激光的光学特性参数存在明显的差异。     

Kubelka—Munk模型下的兔血管对496．5nmAr^＋激光的散射与吸收特性

本文测量了兔动脉和静脉对Ar^ 激光的反射和透射传输特性。实验采用两积分球系统及波长为496．5nm的Ar^ 激光器,并根据测量数据及采用Kubelka-Munk模型分析和计算了兔动脉和静脉组织对该波长激光的吸收系数、散射系数及总的光强I（x)、前后散射通量i(x)和后向散射能量j(x)随厚度的变化情况。结果表明,兔动脉和静脉的漫反射率和透射率有明显差别,动脉对激光的吸收系数明显较静脉的要小,而动脉对激光的散射系数却明显较静脉的要大。在动脉和静脉组织中总的光强I（x)及前向散射通量i(x)和后向散射通量j(x)随厚度的变化情况也有明显的区别。     

混浊液态食品介质中脂肪的近红外光学特性研究

脂肪是多数食品中含有的典型且重要的营养成分,同时从光学测量的角度分析,也是决定食品光学特性的重要组成成分。本文对混浊液态食品介质中脂肪在近红外波段的光学特性进行研究。采用牛奶作为基体通过添加稀奶油得到的样品作为复杂液态食品介质的模拟物,应用双积分球技术在10000~6000cm-1的近红外波段范围测量脂肪含量变化引起的光学特性变化。结果表明,脂肪含量的变化会使吸收系数和散射系数都发生改变,而且散射系数的变化更大。本文的工作为应用近红外光谱技术进行混浊液态食品介质的测量提供了光学上的理论指导。     

Kubelka—Munk模型下的人血管对632．8nm氦—氖激光的散射与吸收特性

本文测量了人动脉和静脉对He-Ne激光的反射和透射传输特性。实验采用两积分球系统及波长为632．8nm的He-Ne激光器,并根据测量数据及采用Kubelka-Munk模型分析和计算了人动脉和静脉组织对该波长激光的吸收系数、散射系统及总的光强I（x)及前向散射通量i(x)和后向散射通量j(x)的变化情况。结果表明,人动脉和静脉内外侧的漫反射率和透射率有明显差别,而且,动脉对激光的吸收系数明显较静脉的要小,而动脉对激光的散射系数却明显较静脉的要大,在动脉和静脉组织中总的光强I（x）及前向散射通量i(x)和后向散射通量j(x)的变化情况也有明显的区别。     

Kubelka-Munk模型下的兔血管对Ar+激光的散射与吸收特性

测量了兔动脉和静脉对Ar+激光的反射和透射传输特性.实验采用两积分球系统及Ar+激光器,并根据测量数据和采用Kubelka-Munk模型分析、计算了兔动脉与静脉组织对该波长激光的吸收系数、散射系数、总光强I(x)及前向散射通量i(x)和后向散射通量j(x)随厚度的变化情况.结果表明,兔动脉与静脉的漫反射率和透射率有明显差别,且动脉对激光的吸收系数明显较静脉的小,而动脉对激光的散射系数却明显较静脉的大,在动脉和静脉组织中总光强I(x)、前向散射通量i(x)和后向散射通量j(x)随厚度的变化情况也有明显的区别.     

双层组织模型中漫反射光与内层光学参数关系

研究了双层组织光学参数变化对组织表面漫反射情况的影响规律.采用一个简化的生物组织双层模型,利用Monte Carlo方法和实验进行了研究.结果表明表面漫反射光随内层吸收系数增加而减小,随内层散射系数增加而增强,特别是内层吸收系数或散射系数为小值时,表面漫反射光对内层吸收系数或散射系数的变化非常敏感.     

Skin optics

Quantitative dosimetry in the treatment of skin disorders with (laser) light requires information on propagation of light in the skin related to the optical properties of the individual skin layers. This involves the solution of the integro-differential equation of radiative transfer in a model representing skin geometry, as well as experimental methods to determine the optical properties of each skin layer. These activities are unified under the name skin optics. This paper first reviews the current status of tissue optics, distinguishing between the cases of: dominant absorption, dominant scattering, and scattering about equal to absorption. Then, previously published data as well as some current unpublished data on (human) stratum corneum, epidermis and dermis, have been collected and/or (re)analyzed in terms of absorption coefficient, scattering coefficient, and anisotropy factor of scattering. The results are that the individual skin layers show strongly forward scattering (anisotropy factors between 0.7 and 0.9). The absorption and scattering data show that for all wavelengths considered scattering is much more important than absorption. Under such circumstances, solutions to the transport equation for a multilayer skin model and finite beam laser irradiation are currently not yet available. Hence, any quantitative dosimetry for skin treated with (laser) light is currently lacking.