球形气溶胶粒子对激光散射退偏特性的研究

介绍了气溶胶粒子光散射的基本理论及偏振特性的基本计算方法。根据Mie氏理论,通过建立光散射的穆勒矩阵,建立球形气溶胶粒子的光散射理论模型,并通过递推的方法进行数值模拟,研究了几种典型天气条件下球形气溶胶粒子对光散射偏振特性的影响。     

可见光波段非球形沙尘气溶胶散射和辐射特性的理论模拟

将非球形沙尘气溶胶视为具有一定的尺度谱和形状分布的随机取向椭球粒子群,利用T矩阵和改进几何光学方法（IGOM）模拟了非球形沙尘气溶胶粒子在可见光波段（0.47 ）的散射特性,并与实验室测量结果和等体积球形粒子的计算结果进行了比较。结果表明：利用具有一定的尺度谱和形状分布的随机取向椭球粒子模拟自然界中的非球形沙尘粒子散射特性是行之有效的;用等体积球形粒子得到的单散射相矩阵（特别是单散射相函数）与椭球粒子相比,具有明显的差异,而粒子形状对单散射反照率、不对称因子和消光效率的影响明显偏小。通过比较椭球和球形沙尘气溶胶在可见光波段的辐射特性说明在计算非球形沙尘气溶胶辐射特性过程中应考虑粒子形状对其单散射特性的影响。     

基于光散射的实时气溶胶粒子形状识别技术研究

利用米氏散射理论和时域有限差分(FDTD)软件计算了不同大小、形状和折射率粒子的前向散射光场分布,分析了通过光强度分布和非对称因子反演粒子相关信息、区分粒形的可行性。研制了一台利用增强型CCD相机在线采集单个气溶胶粒子在5°~19°前向散射角范围内光场图样的装置。8μm粒径的聚苯乙烯球形粒子散射图样实验结果与理论计算对比较为吻合,验证了该装置的有效性。应用该装置对不同形状的气溶胶粒子进行检测,结果表明能够从散射图像和反演计算结果区分出球形、杆状和其他形状粒子。     

基于散射矩阵的气溶胶识别与粒径分布反演研究

散射矩阵是描述介质散射特性的重要参数,该参数对介质的理化特性敏感。为研究利用该参数对气溶胶进行识别及理化特性获取的可行性,设计并实验测量了聚α烯烃和氯化钠两种气溶胶样品的散射矩阵,讨论了二者矩阵元素的角度分布规律,并基于Mie散射理论,采用模板匹配的方法利用测量结果对聚α烯烃气溶胶的粒径分布进行了反演。结果表明通过矩阵元素的角度分布规律可以对两种气溶胶进行有效识别与区分,结合相关散射模型与反演方法还可以获得气溶胶的理化特性。该研究为气溶胶识别及其理化特性的获取提供了方法参考。     

用粒子计数法测量颗粒物质量浓度

为了测量颗粒物的质量浓度,基于米散射理论,在偏振入射光条件下,通过数值计算研究了球形颗粒的散射光通量与粒径之间的关系,得到了利用光学粒子计数器测量颗粒物质量浓度的计算公式。该公式重点考虑了粒子数目和大小对质量浓度的影响。实验结果表明,在0.001mg/m3~2mg/m3的质量浓度范围内,该公式的计算值与实验测量值具有显著的相关性,相关系数为0.9953。     

非球型粒子对激光偏振特性的影响

球形粒子群的偏振散射特性已经通过研究获得,但是真实环境中粒子形状为非球形,非球型粒子的多次散射偏振特性规律尚未得到。基于T矩阵计算方法对非球型粒子散射模型进行了改进,获得了非球型粒子的散射振幅矩阵,对椭球形粒子,圆柱形粒子以及且切比雪夫粒子的偏振特性进行了模拟,分析了不同横纵轴比、形状、波长对粒子偏振特性的影响。研究结果表明:对于椭球形粒子而言,偏心率由2变为3后偏振度最大值从散射角130°变为90°,450、532、671 nm的偏振度分别增大了50%、25%、24%;圆柱粒子长短轴互换对于偏振度的改变影响不大。切比雪夫粒子表面的不规则度由3变为8后,偏振度增大了18%。研究结果为非球型粒子群的多次散射特性提供了理论基础,最终解决了真实环境与理想环境之间的偏振传输特性差异的问题。     

非标记、定量化穆勒矩阵偏振成像在辅助临床诊断中的应用

近年来,随着新型光学器件的出现与数据处理能力的提升,偏振光学成像技术在生物医学领域的应用逐渐增多。穆勒矩阵因可以完备地表述样品的偏振信息,且测量装置可与传统光学仪器兼容,非常适合于生物医学样品的研究。同时,与非偏振光学方法相比,穆勒矩阵对亚波长结构敏感,还可以额外提供包括双折射、二向色性在内的样品的光学各向异性信息。介绍了穆勒矩阵偏振成像的基本理论与装置,包括穆勒矩阵参量的提取、背向散射成像、偏振显微成像、偏振内窥与偏振染色等在生物医学检测中具有一定应用潜力的方法和技术,并展示了穆勒矩阵成像在肝癌、乳腺癌、胃肠肿瘤等多种病理组织辅助诊断中的最新研究进展。穆勒矩阵偏振成像作为一种非标记、定量化、无损伤的快速检测技术,在生物医学领域显示出了广阔的应用前景。     

多分散气溶胶凝聚粒子散射特性的数值计算

基于簇团-簇团(Cluster-Cluster Aggregation,CCA)模型,结合气溶胶谱分布函数,模拟了多分散气溶胶凝聚粒子.利用离散偶极子近似方法,数值计算了多分散气溶胶凝聚粒子散射强度的角分布,对比分析了多分散和单分散气溶胶凝聚粒子散射特性的差别,并讨论了散射强度随入射波波长和入射角变化的规律.结果显示:多分散和单分散气溶胶凝聚粒子的散射特性截然不同,凝聚粒子中原始微粒的粒径、入射波长、入射波的入射角等因素都将影响气溶胶粒子的散射特性.多分散凝聚粒子模型更接近实际气溶胶粒子,结果可为全面理解和研究气溶胶粒子散射特性提供参考和有效的计算方法.     

海洋气溶胶红外偏振散射特性及校正研究

红外偏振系统探测远距离海面目标时,海洋气溶胶的散射使得成像质量退化严重,由于散射作用导致目标与背景难以区分。本文针对气溶胶散射对红外偏振光退偏特性问题,以气溶胶Mie散射模型为基础,推导得到散射退偏模型。然后,根据不同气溶胶的粒子谱分布,在对大气透过率和红外偏振系统同时校正的基础上,建立散射退偏校正模型,研究了气溶胶散射对不同尺度因子,不同散射角和不同散射光矢量的影响。根据对实验图像分析,在经过本文所提出的经散射校正和红外偏振系统校正后图像的质量有了明显提高,该方法能够较好的校正大气气溶胶散射对红外偏振光所带来的影响,更准确反映出目标与背景的偏振特性,对于红外偏振目标检测与识别具有重要意义。     

用气溶胶飞行时间质谱仪测量气溶胶粒子折射率

利用自行研制的气溶胶飞行时间质谱仪（aerosol time-of-flight mass spectrometer, ATOFMS）对气溶胶粒子的折射率进行测量。首先利用ATOFMS对气溶胶粒子的粒径和光散射强度进行测量,然后由Mie散射理论结合ATOFMS光散射区域的几何结构,推算出光电倍增管（PMT）接收的理论光通量与气溶胶粒子的大小和折射率之间的函数关系。通过比较实验测量的气溶胶粒子光散射平均强度与Mie散射理论值,对粒子的折射率进行反演。与实际样品数据参数对比的结果表明该方法是可行的。     

小角前向散射偏振比法颗粒粒度分布反演

在光散射法的颗粒粒径测量方法中,传统测量模型的测量结果易受光路中颗粒杂质的影响。在Mie散射理论的基础上,将小角前向散射法与偏振比法相结合,推导了新的散射光能与粒径分布关系式,构造了传统小角前向散射法和小角前向散射偏振比法两种目标函数,并引入一种非独立模式算法人工鱼群算法对两种方法的目标函数进行反演。仿真采用服从Johnson-SB单峰分布均匀球形颗粒,分别对两种目标函数散射光能加入5%,10%,15%的随机噪声。仿真结果显示,利用人工鱼群算法对小角前向散射偏振比法目标函数反演得到的反演精度、抗噪声能力和鲁棒性都明显优于传统小角前向散射法目标函数的反演结果。     

Analysis of the polarization characteristics of scattered light of underwater suspended particles based on Mie theory

Aiming at the problem of underwater polarized laser scattering caused by underwater suspended particles, the equivalent spherical particle Mie scattering theory simulation method is used to study the polarization characteristics of underwater scattered light. The relationship between underwater suspended particle characteristics and optical characteristics is analyzed, and the effects of particle size, polarization characteristics of incident light, and angle of incidence on the degree of polarization of forward and backward scattering light are studied. The results show that:When the incident light is natural light, the degree of polarization of scattered light is very low at the forward-scattering angle, which increases with the increase of the scattering angle, but changes frequently with the increase of the particle size. When the incident light is linearly polarized, the degree of linear polarization of the scattered light is related to the azimuth Angle. The degree of circular polarization is largely unaffected by particle size.     

火灾烟颗粒Stokes散射矩阵的实验研究

针对火灾烟颗粒的Stokes散射矩阵,利用电光调制器、1/4波片、偏振片及锁相放大器等设计与搭建了火灾烟颗粒光散射实验平台;并基于该平台测量了棉绳阴燃、正庚烷明火及檀香阴燃生成的3种烟颗粒的Stokes散射矩阵中16个元素的角度分布.实验结果表明,这些烟颗粒在光散射过程中都体现出明显的非球形效应,尤其是阴燃过程生成的灰烟颗粒.这说明基于球形模型的Lorenz-Mie散射理论对于分析烟颗粒光散射特征存在一定的局限性,而为了进一步挖掘火灾烟颗粒光散射过程中的光强与偏振等信息,需要建立合理的非球形模型,从而为光电感烟火灾探测技术的发展提供指导与支撑.     

线性偏振光被微粒子场散射的特性研究

本文提供了线偏振光通过复合微粒子场后的侧向散射效应，并进行了探讨分析，实验采用了４种粒子场浓度，２种直径的圆形粒子，从粒子空间尺寸，粒子浓度，粒子直径大小，探测角度和深度位置等多个方面考察实验数据与粒子场特性的联系，发现在一定条件下引起入射光退偏振的主要因素是粒子尺寸和场内粒子的浓度。     

电控矢量涡旋光的偏振测试研究

为了研究电控相位延迟对矢量涡旋光偏振态的影响规律, 采用半波液晶可变延迟器和液晶q波片搭建了电控矢量涡旋光的全斯托克斯偏振测试实验装置, 进行了电控矢量涡旋光的斯托克斯参量传输特性的Muller矩阵分析和实验验证。通过对输入偏振光进行连续相位调控, 获得了其通过调谐q波片后的输出光束偏振态演变规律。结果表明, 电控相位延迟会改变角向和径向偏振光的局域偏振椭偏度, 且随电压变化呈线性关系, 同时偏振态演变会影响矢量涡旋光的输出光强。此研究对于探索电控矢量涡旋光的偏振转换有着重要的意义。     

颗粒物数量与粒径分布的光学测量系统设计

针对颗粒粒径和数量同时测量的问题,在Mie散射理论的基础上,提出将角散射颗粒计数法和小角前散射法相结合,设计出一种能实时测量颗粒物粒径和数量的光学传感器.基于光电二极管采集到的光电流范围,用信噪比为51.8 dB的放大器电路对电流采样,从而实现较高计数效率.针对散射光能分布和颗粒粒径之间的关系式,推导出目标函数,并引入...     

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。     

单粒子与复合粒子散射强度的计算与分析

根据Mie散射理论,对金属单粒子和复合粒子的散射强度和偏振度进行了数值计算与理论分析,得到了两类散射体的散射强度、偏振度与散射角、入射波长及壳层厚度之间的关系。结果表明,随着入射波长的增大,复合粒子的前向散射增强,背向散射未变化;偏振度峰值和峰位易出现明显的退偏振现象,明显区别于金属单粒子散射行为。该结论对两类金属材料光学特性方面的开发和应用提供了理论参考。