光束在尾流气泡中传输的复散射效应

为了了解光束在尾流气泡中的传输特性,为前向光尾流的探测提供理论依据,研究了光束在尾流中传输时传播方向上和横截面方向上的辐射强度分布特性.基于辐射传输方程的小角度近似解,得到了探测截面上的约化强度和漫射强度的表达式,其中漫射强度表征了复散射的强弱;针对典型的尾流气泡分布,通过数值计算分析了光束传输方向上的约化强度和漫射强度与接收视场角、光学厚度和光束大小的关系,也计算分析了光束横截面方向上的辐射强度随光束大小和横向距离的变化关系.结果表明,光束在尾流气泡中传输时复散射效应明显,且复散射的强弱与接收视场角、光束直径、光学厚度和横向距离密切相关.     

气泡数密度对尾流光束衰减测量的影响

为准确地测量出尾流气泡群的衰减,提高前向光尾流探测的可靠性,研究了气泡数密度对尾流光束衰减测量的影响.基于辐射传输方程的小角度近似解,得到了探测截面上的约化功率和漫射功率的表达式.根据测量条件,引入了有尾流气泡和无尾流气泡时探测截面上接收到的辐射功率之比作为透射函数,并进一步引进了复散射校正因子,它表征了复散射效应的强弱.针对典型的尾流气泡分布,通过数值计算得到了不同测量条件下气泡数密度与复散射校正因子、透射函数的关系.数值计算结果表明：复散射校正因子都随气泡数密度的增大单调的增大,透射函数都随气泡数密度的增大单调的减小;测量条件不同,气泡数密度对光束衰减的影响也不同.研究结果表明,给定测量条件和透射比时,利用小角度辐射方程可以得到气泡群数密度的量化信息.     

基于多重散射强度和偏振特征的舰船尾流气泡激光探测方法

研究多重散射效应对舰船尾流气泡群光散射强度和偏振特征的影响是舰船光尾流探测以及新型光自导鱼雷研究的基础. 基于矢量Monte Carlo方法建立了舰船尾流气泡群激光后向探测仿真模型, 重点研究了尾流气泡群的多重散射机理,分析了多重散射效应、尾流气泡群密度对回波信号强度和偏振特征的影响规律. 基于粒子碰撞重要性抽样的基本思想, 在传统能量接收方法的基础上, 提出了回波光子偏振贡献接收方法和回波信号偏振信息统计方法, 解决了小视场系统光子返回概率低无法形成回波能量的难题. 构建了模拟尾流气泡群激光散射强度和偏振探测实验平台, 从实验的角度验证了模拟结果的准确性. 实验和模拟结果的一致性表明, 利用回波强度、偏振信息可表征气泡群距离、密度信息, 从而可对舰船尾流特别是低密度尾流进行高精度的探测和辨识. 关键词： Monte Carlo 偏振 多重散射 气泡     

利用后向散射光空间谱强度分布探测尾流气泡的实验研究

利用自行设计制作的尾流模拟系统产生气泡，应用散射光空间频谱测量分析系统，对水中气泡群的后向散射光空间谱强度分布进行测量和分析，研究了不同探测距离的散射光衰减对其强度分布的影响.结果表明，在气泡密度、大小分布不变的情况下，扩束光照明时，由于参与光散射的气泡数目增加对散射光在水中传播衰减的补偿，散射空间谱强度分布的峰值和半宽值均不随探测距离变化；而细光束照明时，散射谱强度分布峰值随探测距离的增加而减小，半宽值则逐渐增大.所以在远距离探测时，细光束的探测效果好.     

激光气象雷达多次后向散射信号特性分析

利用小角近似方法，分别给出了单次和多次后向散射激光雷达方程.通过引入的多次散射评价参量，分析了接收视场角和光学厚度等因素对多次后向散射信号的影响.理论研究表明:多次后向散射主要与接收视场角和光学厚度密切相关，当接收视场角比发射视场角大10倍，光学厚度超过3时, 多次后向散射信号逐渐增大并占主要优势，当接收视场角比发射视场角大100倍时，光学厚度超过1时，多次后向散射信号开始明显增强.     

舰船尾流气泡层散射相位函数及其后向散射信号特性分析

根据实测舰船的尾流气泡分布模型,利用米氏理论计算得到尾流气泡层的散射相位函数,并将其应用于尾流气泡层后向散射光接收信号的Monte Carlo仿真分析中,以便为实际海况下的舰船尾流气泡层后向散射光探测的实验设置与信号预测、分析提供可靠的依据.通过对不同距离处尾流气泡层的散射相位函数及后向散射光接收信号特性的分析,可以得出:尾流中气泡层散射相位函数的变化小明显,且对接收信号的影响较小;气泡数密度的变化导致的多次散射效应和气泡层衰减系数的变化是引起后向散射光强度变化的主要原因,数密度越大,散射光信号中的多次散射光成分越大;当气泡层厚度达到一定倍数的衰减长度时,继续增加气泡层厚度对后向散射接收信号的影响较小.     

激光在水中气泡微粒的后向散射特性

从激光能量、目标位置、视场大小及气泡厚度等方面对气泡后向散射特性进行研究.采用实验方法研究脉冲激光气泡后向散射特性.实验结果表明,增大激光能量在一定程度上可以有效地改善气泡探测的效果,而气泡发生器位置和视场的合理选择使得气泡探测更容易些,气泡区域厚度的变化对气泡后向散射并没有明显的影响.该实验结论与蒙特卡洛数值模拟的结果一致.     

光学涡旋横向线动量密度的传输演化特性

对于光学涡旋特别是具有复杂拓扑结构的光学涡旋,可以通过数值计算的方法获得实验上难以准确测量的角动量分布及其传输演化特性。在略去线偏振光场线动量密度中的轴向分量的情况下可获得涡旋光场的横向线动量密度,其在光束截面上的角向分量表征了涡旋角动量的分布。通过数值模拟,研究了单束拉盖尔-高斯光束和拓扑荷不同的两束拉盖尔-高斯光束同轴叠加后在自由空间中的传播过程,获得了强度分布、相位分布和横向线动量密度在瑞利长度内的分布特征。通过分析光束横截面上强度分布和线动量密度的演化特性表明,在远离束腰处光束的衍射效应不仅降低了横向线动量密度,还会增加径向分量,因而增强了径向力学特性,减弱了角向力学特性,因此在具体实施微操控时不宜在距离束腰面较远的横截面内进行。     

双视场米散射激光雷达探测对流层气溶胶

介绍了自行研制的用来探测对流层大气气溶胶消光特性的双视场米散射激光雷达.该激光雷达采用两个具有独立接收视场的探测通道分别接收高低层532 nm的大气回波信号,可以兼顾低层大视场角低探测盲区和高层小视场角高探测高度的要求.叙述了该雷达系统的总体结构和技术参量以及数据处理方法,给出了合肥地区(东经117.16°,北纬31.90°)大气气溶胶消光系数廓线和对流层光学厚度的探测结果.测量结果表明,该雷达具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好地反映气溶胶粒子的时间和空间分布特征.     

湍流大气脉冲波束经漫射目标散射的统计特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和粗糙面散射理论,考虑发射机到目标和目标到接收机双程路径中大气湍流对光束传输的影响,研究了脉冲波束经漫射目标散射后的二阶统计特性。推导了接收机处双点双频互相干函数(MCF)的表达式,计算得到平均强度以及复相干度因子,并对此进行数值模拟。结果表明,相位结构函数占优情况下,接收面的脉冲平均强度与大气湍流水平无关;但脉冲相干带宽与湍流强度、中心频率、湍流外尺度、观察处两点间距离、频差有关。     

尾流后向散射光功率衰减特性研究

依据Mie理论光散射在0°和180°有明显增强的结论，应用自行设计的模拟尾流后向散射光功率实验系统在632.8 nm He-Ne激光器直接照明和扩束后照明两种条件下，对模拟尾流后向散射光功率衰减特性进行了研究.结果表明,用后向散射光功率进行探测时，考虑到散射光在水中传播的衰减，对近距离分布的气泡，使用扩束光照明效果较好；对较远距离分布的气泡，使用细光束照明效果较好，其可探测的距离要比扩束光远.     

Particular features of acousto-optic visualization in scattering media upon detection of nonballistic light

Images of optically inhomogeneous objects immersed into a cell with a scattering liquid through which orthogonal laser and ultrasonic beams pass are obtained upon measuring the scattered light modulated at the ultrasonic frequency. The alternating current from a photodetector recording the optical radiation emerging from the cell was used as a parameter of the acousto-optic visualization. The quality of the visualization is analyzed in relation to the registration conditions and the scattering parameter magnitude, as well as the size and shape of three-dimensional and planar objects. Under the experimental conditions used, the positions of objects immersed into the scattering liquid are detected fairly precisely, with a satisfactory contrast and sharpness of images in the plane perpendicular to the laser beam axis, whereas, along this axis, the object positions are not determined. The experiment was performed under conditions of transition from a regime without scattering to a regime of multiple scattering.     

均匀椭球粒子对拉盖尔-高斯光束的散射特性研究

基于广义Mie理论, 研究了椭球粒子对在轴入射的拉盖尔-高斯光束的散射特性. 通过局域近似法求解椭球坐标系中的波束因子, 计算得到了波束因子之间满足的普遍关系. 对散射强度随椭球粒子不同尺寸参数和扁圆程度的变化特性进行了数值计算, 并针对不同拓扑荷时的散射强度进行了对比分析. 结果表明: 当椭球粒子尺寸在与入射光波长可比拟的范围内变化时, 散射强度随尺寸参数的增大而增大, 随椭球长短轴之比和拓扑荷的增大而减小. 本文的理论研究能够为拉盖尔-高斯光束在粒径测量、大气激光通信、 大气遥感等领域的应用提供更准确的粒子模型和参考价值. 关键词： 椭球粒子 拉盖尔-高斯光束 波束因子 散射强度     

Compton散射下多信道平面光波导的空间光孤子开关

应用量子微扰理论和多光子非线性Compton散射模型,对Compton散射下多信道平面光波导的空间光孤子开关进行了研究.结果表明:在横向具有正弦形周期折射率调制的非线性平面光波导的多信道系统中,原先束缚在一个信道中的孤子可以靠由入射和散射光形成的耦合控制光点,通过交叉相位调制横向吸引孤子波束,使孤子从原信道切换到邻近信道,从而实现光孤子开关的功能.控制光点可由耦合光在势谷之间的横向聚焦来实现.散射既能使控制光点的有效强度的阈值和孤子的辐射损耗增大,势垒增高,幅度下降较小,有利于孤子开关的形成;又能使波束展宽较宽,并存在开关被破坏的危险.由此可见,Compton散射下恰当控制入射激光强度是实现孤子开关的关键.     

纤维复合媒质中的超声衰减

为了精确估计纤维复合煤质中散射所引起的超声衰减，必须计及纤维之间的多次散射现象本文提出了纤维复合煤质中任一点有效入射声场的计算方法当超声纵波传播方向与纤维轴线相垂直时，散射横波并不影响有效入射声场；导出了考虑多次散射后超声衰减系数的表达式；数值计算了玻璃／金属铝复合媒质中纵波衰减系数随频率的变化关系 关键词：     

Turbid media optical properties derived from the characteristics of propagating laser radiation beams

The possibility is studied to develop a straightforward analytical approach to the determination of the optical properties of liquid turbid media having forward-peaked scattering indicatrices. The approach is based on investigating the in-depth behavior of the radius and the axial intensity of a laser radiation beam propagating through the turbid medium. Based on the small-angle approximation, the detected forward-propagating light power spatial distribution, at relatively small or large optical depths along the beam axis, is obtained asymptotically in analytical form allowing one to derive relatively simple expressions of the extinction, reduced-scattering and absorption coefficients and the anisotropy factor of the medium through the characteristics of the propagating light beam. Preliminary experiments have also been performed, using Intralipid dilutions of different relatively low concentrations and measuring the cross-sectional radial distribution of the detected light power at different depths along the beam axis. The corresponding on-axis detected light power profiles have been measured independently as well. The experimental results are consistent with the analytical expressions obtained that allow one to estimate the optical coefficients and the anisotropy factor of the investigated media on the basis of the measured beam characteristics. The values obtained are near those predicted by other researchers.     

Enhanced Raman Scattering of Elliptical Laser beam in a Collisional Plasma

This paper presents the Enhanced Raman scattering of a elliptical laser beam in a collisional plasma. We have considered the mechanism of non‐uniform heating of carriers along the wave‐front, which is important in collisional plasma. The nonlinearity arising through non‐uniform heating leads to redistribution of carriers, which modifies the background plasma density profile in a direction transverse to pump beam axis. This modification in density effects the incident laser beam, plasma wave and back‐scattered beam. Non‐linear differential equations for the beam width parameters of pump laser beam, plasma wave and back‐scattered beam are set up and solved numerically. Numerical results predict the effect of self‐focusing of waves on the back‐scattered beam (© 2011 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Stimulated Brillouin scattering of elliptical laser beam in collisionless plasma

This paper presents an investigation of self-focusing of elliptical laser beam in collisionless plasma and its effect on stimulated Brillouin scattering. The pump beam interacts with a pre-excited ion-acoustic wave leading to Brillouin back-scattered process. The transverse intensity gradient of a pump beam generates a ponderomotive force, which modifies the background plasma density profile in a direction transverse to pump beam axis. This modification in density effects the incident laser beam, ion-acoustic wave and back-scattered beam. Non-linear differential equations for the beam width parameters of pump laser beam, ion-acoustic wave and back-scattered beam are set up and solved numerically. It is observed from the analysis that the focusing of waves enhances the SBS back-reflectivity.