不同湿度环境下可见光波段激光偏振特性研究

雾霾天气严重干扰了可见光成像效果,利用可见光偏振特性可以有效提升探测效率。雾霾环境会受到气溶胶颗粒湿度的影响,湿度是雾霾环境重要物理参数。为了获得可见光在雾霾环境的偏振特性规律,分析了环境湿度对偏振特性的影响。在非偏振光气溶胶单粒子散射特性基础上,采用改进蒙特卡罗方法建立了偏振传输模型,对不同湿度水雾环境下可见波段偏振光传输特性进行研究,重点分析水雾环境湿度改变对不同可见光波段偏振光偏振特性的影响情况并建立了接近真实水雾环境,通过室内实验对偏振模型进行验证,对不同湿度环境下的 450、532 、671 nm 线偏振光与圆偏振光的偏振度与偏振态改变进行了比较与分析,仿真模型置信度>60%。研究结果表明:偏振光的偏振度随水雾环境湿度是呈下降趋势。随着波长的增大,偏振度变化趋于平缓,出射偏振度随着波长的增加而变大,当激光波长为 450、532、671 nm 时,偏振度下降点的湿度值分别为 50%、70%、90%;圆偏振光入射,圆偏振光的旋性对于偏振度没有影响,且高于线偏振度值。对于水雾这种容易受湿度影响较大的环境而言,在可见光波段,应该尽量选择较长波长的偏振光进行传输探测,因为湿度对较短波长的影响比较长波长的影响要大,所以,在湿度较大的环境中,较长波长的圆偏振光是偏振保持特性最好的。在湿度较大的环境中,应尽量选取波长较长的偏振光成像,以达到较好的成像效果。     

多粒子散射的偏振传输特性分析

针对多因素影响下偏振光在散射介质中的一般传输特性,系统分析了入射光波长、介质厚度、粒子参数和入射光偏振态等物理属性对偏振光子传输特性的影响。采用蒙特卡罗方法,追踪每个光子的偏振态变化,通过统计分析偏振度变化曲线得到光经过多次散射后的斯托克斯矢量和偏振信息,并对偏振光在散射介质中的传输规律进行分析。仿真实验表明相对于波长比较大的粒子对入射光的偏振态改变较小;线偏振光能较好地保持自身偏振态;圆偏振光能够在较短时间内重新恢复自身偏振状态,粒子半径越大恢复能力越强,并且在向前传输的过程中其旋转方向会发生改变。     

组织模型光散射的偏振特性

偏振门技术已被广泛用来探测上皮生物组织的结构,但组织的光学参量如何影响入射光的偏振态这一问题尚未解决.结合斯托克斯测量系统模型和米氏散射理论,计算分析了散射体分别等效成直径为5.0、9.0 μm球形粒子的散射光强分布及偏振度分布,以及线偏振光、圆偏振光入射时大小粒子后向散射光的偏振度光谱.结果表明:无论是小粒子还是大粒子,后向单次散射光均具有很高的偏振性,偏振度光谱对粒子尺寸的变化比较敏感,而当线偏振光入射时,随着粒子平均尺寸的增加,光谱振荡频率及偏振度都将增大.该方法对于早期癌症检测具有潜在应用意义.     

椭球形粒子浓度对激光偏振传输特性的影响

采用随机抽样拟合相函数的蒙特卡罗仿真方法,模拟了偏振光经过椭球形粒子发生多次散射后的偏振特性,并通过实验验证了其正确性。以长、短轴比为1.5的椭球形酵母菌粒子为研究对象,研究了激光在椭球形粒子烟雾中传输时的偏振特性。研究了波长为532 nm的0°线偏振光、45°线偏振光以及左旋圆偏振光在椭球形粒子烟雾扩散过程中偏振态的变化情况。结果表明,椭球形粒子的浓度越高,偏振度变化的随机性越大,且圆偏振光的保偏性优于线偏振光。在相同浓度下,不同起偏角度的线偏振光对偏振态的影响差别不大。     

粒子形态对浑浊介质后向散射光偏振特性的影响

偏振光在浑浊介质中传输的偏振特性的研究对实现各类偏振光技术具有重要意义。建立一种非球形粒子介质模型,并采用T矩阵法和矢量蒙特卡罗模拟相结合的方法,计算分析含不同非球形粒子的介质中的偏振光经过多次散射形成的后向散射光的偏振特性。按照介质所含非球形粒子的尺寸分为瑞利散射粒子介质和米氏散射粒子介质。结果表明:瑞利散射粒子介质中,不同粒子形态对线偏振光和圆偏振光的后向散射光的偏振特性的影响不显著,线偏振光保偏能力优于圆偏振光,线偏振方向得到保持,而圆偏振光旋性发生改变;米氏散射粒子介质中,不同粒子形态对后向散射光的偏振特性有显著影响,光学厚度大时,各介质中的圆偏振光保偏能力优于线偏振光,厚度小时线偏振光的保偏能力优于圆偏振光。此外,粒子的形态对偏振光后向散射光偏振度空间分布及光强空间分布均有显著影响。     

线偏振光与圆偏振光后向散射偏振保持能力

通过蒙特卡罗仿真方法,分析了在不同尺度粒子的散射介质中线偏振光与圆偏振光后向散射的偏振保持能力,并运用瑞利散射和米散射理论对二者散射时偏振态的微观变化进行对比研究。结果表明,后向散射偏振保持能力与入射光的偏振态和粒子尺度均有关。对于瑞利散射粒子,线偏振光具有更强的偏振保持能力;对于米散射粒子,圆偏振光具有更强的偏振保持能力。     

圆偏振光的后向散射旋性反转特性分析

圆偏振光较线偏振光具有更多的潜在优势,尤其是在浑浊介质中,利用圆偏振光的旋性进行目标探测可以有效抑制散射光的影响。从经典单粒子偏振态描述方法出发,从散射介质属性和单次散射角大小的角度,阐明了圆偏振光在散射介质中旋性反转与保持的机理,并通过蒙特卡罗方法建模仿真,分析了圆偏振光的后向散射旋性反转特性。仿真结果表明,单次散射后,圆偏振光旋性的保持或反转取决于散射介质的属性及散射角的大小;多次散射后,圆偏振光的旋性保持或反转还和光子入射方向与光子接收面夹角的大小相关。特别地,圆偏振光的后向散射在低浓度散射介质中或短距离传输时会发生旋性反转,而在浑浊介质即高浓度散射介质中或远距离传输时会保持其初始偏振态。     

基于偏振信息恢复的光通信

基于斯托克斯矢量和MC算法,在各种散射系统中研究了偏振信息的传输性能。根据偏振光斯托克斯矢量的散射特性,提出了一种能够减少散射对入射偏振光影响的PR方法。为了验证PR方法的有效性和实用性,仿真了在不同实际大气和水下环境,偏振传输和偏振信息恢复的结果。仿真结果表明,PR方法更适用于粒子半径相对大的杂乱媒介,并且长波可以有效地减少偏振信息的损失。此外,仿真结果也表明,在非均匀的大气媒介中下行和上行链路是不可逆的。在水下,PR方法同样用来减小散射对于光的偏振度的影响。通过PR方法,线偏振度的最大增强可达到16%。这些结果对于未来大气,水下量子保密通信具有重要的意义。     

玻璃角反射器棱镜的偏振特性

当一束线偏振光轴向入射至玻璃角反射器棱镜(corner-cube refiector以下简称CCR)经过三次全内反射而反方向射出时,一般说来它将成为一束椭圆偏振光。仅存在二个特殊的偏振方位角,在这二个方位角偏振的线偏振光入射至玻璃CCR将得到线偏振的出射光,但偏振面已发生了转动。本文计算出了这二个特殊的方位角和出射光方位角的改变量,且为实验所证实。     

偏振CCD相机光学系统的偏振特性分析

理论上推导了通过偏振CCD光学系统的部分偏振光在透射过程和反射过程中偏振特性的变化，定量计算了特定参数下的入射部分偏振光束经过特定单透镜透射后偏振度的分布，给出了偏振度变化的数量级，计算表明一定偏振度的入射部分偏振光束经过透射后，由于偏振度的变化和光线的入射高度以及视场角都有关系，光束偏振度在出射截面上将产生一定的分布。     

船舰远程尾流散射光偏振特性的蒙特卡洛模拟

为了研究船舰尾流气泡幕散射光的偏振特性,利用偏振光传输的蒙特卡洛模型模拟了不同偏振态入射光经过船舰尾流时散射光偏振度的二维空间分布模式,分析了偏振度的径向分布与气泡半径、气泡散射系数和气泡幕厚度的关系。研究表明,尾流气泡幕散射光的偏振度的二维分布具有空间方位选择性,不同状态入射光的分布模式差异明显;随着气泡半径的增大,尾流气泡幕前向散射光偏振度二维分布的图像的空间方位选择特性减小;随着散射系数的增大,尾流气泡幕前向散射光的偏振度数值减小;随着气泡幕厚度的增加,尾流气泡幕前向散射光的偏振度数值减小。     

可见光波段的矿石多角度反射偏振特性研究

为了研究矿石的多角度偏振反射特性,采用改变光源入射角和探测角的方法,测量矿石在可见光波段的反射偏振光谱,并进行了理论分析和实验验证。结果表明,矿石的偏振度在可见光波段受波长影响较小,偏振度大小稳定,而入射角和探测角对矿石的偏振度光谱影响显著;随着入射角和探测角的增大,矿石均表现出先增大后减小的趋势,最大值出现在布儒斯特角附近;当入射角和探测角在55°~65°范围变化时,矿石偏振度差异显著,其中因组成颗粒较小结晶程度较高的玉髓偏振特性最强,而非晶质结构的蛋白石偏振特性最弱。该研究利用偏振度对矿石进行鉴别和分类,具有一定的可实行性,这为矿石检测提供了新的途径。     

折反式望远系统全视场全口径偏振特性研究

针对单根光线追迹方法在部分偏振光条件下无法对系统进行全面评价的问题,基于斯托克斯表示法提出了全视场、全口径光线追迹方法,通过对原有折射与反射穆勒矩阵表达式的优化,建立入射光偏振度、光线角度等参量与出射光偏振度的解析关系;理论分析结果表明,入射角与折射角的差值控制在5.7以内,可以有效减少系统对光线偏振度的影响;依据空间目标成像需求设计了集成微偏振片阵列的偏振成像系统,成像分辨率500 km处为0.5 m;采用动态数据交换机制对光学系统进行全视场、全口径光线追迹,得到系统斯托克斯矢量及偏振度的全视场分布,实现对系统任意视场偏振度的标定,提升偏振探测精度。亦可通过任意视场与中心视场偏振度匹配入射光偏振度,反演目标。     

多波段偏振成像仪的实验室定标研究

介绍一种多波段偏振成像仪的集成设计及实验室偏振定标方案。通过可调偏振度光源验 证仪器偏振定标精度,在10°视场内,当光源偏振度低于0.6时,仪器490 nm通道 偏振度测量相对误差优于1.6%, 670 nm通道偏振度测量相对误差优于1.7%。设计了多波 段偏振成像仪的系统软件,详细介绍了各个功能模块及自动化观测算法,通过敦煌辐射校正场 外场试验,验证了仪器野外运行的稳定性以及系统软件设计的合理性与实用性。     

激光探测尾流微气泡的偏振特性研究

为了研究尾流中激光照明气泡幕的散射光强度和偏振的特性,利用基于偏振光传输的蒙特卡洛模型,对偏振激光入射含气泡群水体的三维空间分布模式进行仿真计算。研究了气泡和气泡群在不同气泡尺度,不同散射角条件下的散射光强和偏振状态;分析了气泡幕的气泡数密度,厚度对于散射光强度和偏振状态的影响。研究表明,散射光的强度和偏振度对气泡尺度和散射角较为敏感,气泡尺度参数越大,散射光强和偏振特征越趋向于集中在传输方向的小角度散射;气泡幕的数密度和厚度越大,散射光的强度随散射角度变化的敏感度下降,退偏振效果增强。     

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.     

λ/4波片与λ/2波片组合在调整偏振态势中的应用与分析

线偏振光通过前后摆放顺序不同的λ/4波片和λ/2波片，其出射光的偏振态将被改变，偏振态的变换在激光偏光技术和光信息中应用越来越广。文章利用矩阵光学方法分析按一定方位角摆放的λ/4波片和λ/2波片，在线偏振光通过后的偏振态变化，主要给出了获得椭圆率角不变、椭圆方位角可连续变化和椭圆率角可连续变化、椭圆方位角不变的椭圆偏振光的方法。     

椭圆光波导和圆形光波导单模传输分析比较

文章利用入射线偏振光在柱坐标系下对椭圆光波导进行了严格求解,得到了模场的精确解析解,导出了模式特征方程.光只在长轴方向的子午面内单模传播时,即可实现单模单偏振传输.在给定相同条件下单模传输时,与圆形光波导相比,椭圆光波导传播常数变化很小.文章还简要分析了波长、椭圆率和相对折射率差对传播常数的影响.