用全固态激光器和一维CCD测定微粒粒径

建立了一套利用线阵CCD探测散射光强从而测定粒径的实验装置.该装置采用线阵CCD取代传统的同心环探测器，并采用一台小尺寸全固态绿光激光器取代传统的He-Ne激光器.理论上采用全Mie氏散射理论，自行编写了实验数据的计算机拟合程序，可以由实验测得的散射光强角分布反演求出粒径分布信息.对粒径分别为4.91 μm和9.88 μm的聚苯乙烯小球均取得了良好的粒径测量结果.该装置被证实可用于测定的粒径范围为0.7 μm～44.0 μm.     

测量单泡声致发光中气泡R(t)曲线的前向Mie散射技术

光干涉原理和Mie理论计算结果表明,单泡声致发光中气泡前向Mie散射的振荡信号,主要是由于气泡的透射光束和表面反射光束之间光干涉产生的.这些干涉波峰形成了测量气泡半径的空间标尺,标尺的单位长度δR由散射角θ,检测光波波长和流体光折射率确定,而每个波峰就是标尺的刻线,它们与该时刻的气泡半径大小一一对应.在30°-50°散射角范围内,利用前向Mie散射实验测定了单泡声致发光中气泡的最大半径,R(t)曲线及平衡半径,表明前向Mie散射是一种便捷的测定气泡运动特性的有效方法.     

测量单泡声致发光中气泡R(t)曲线的前向Mie散射技术

光干涉原理和Mie理论计算结果表明,单泡声致发光中气泡前向Mie散射的振荡信号,主要是由于气泡的透射光束和表面反射光束之间光干涉产生的. 这些干涉波峰形成了测量气泡半径的空间标尺,标尺的单位长度δR由散射角θ,检测光波波长和流体光折射率确定,而每个波峰就是标尺的刻线,它们与该时刻的气泡半径大小一一对应. 在30°—50°散射角范围内,利用前向Mie散射实验测定了单泡声致发光中气泡的最大半径,R(t)曲线及平衡半径,表明前向Mie散射是一种便捷的测定气泡运动特性的有效方法. 关键词： 单泡声致发光 前向Mie散射 光干涉     

一种动-静态光散射颗粒折射率测量法

提出一种动静态光散射颗粒折射率测量方法.该方法分为三部分,一部分是用动态光散射技术测得颗粒样品的线宽分布函数,然后将此线宽分布连同一组折射率值代入静态光散射公式推算出不同折射率值下的散射光强空间分布;第二部分是用光电探测器测出实际的散射光空间分布;第三部分是将不同折射率下的推算值与实测值做均方偏差运算以做比较,取均方偏差最小时所对应的代入折射率值作为颗粒折射率的最终测量值.此方法对样品的分散度无要求,适用于微米到亚微米级的颗粒物.     

平面上方分层小球的光散射计算

本文基于扩展的Mie理论方法求解平面上方分层小球的散射问题。通过建立小球和平面的模型,解决小球和平面的边界条件问题,并利用矢量波函数展开的方法求得了散射场。强调了小球与表面的相互作用。利用Mie理论方法得到了分层小球的散射场系数,通过计算平面上小球的散射模型,得到了平面上分层小球的散射场分布。结论给出了分层介质小球的微分散射截面图。     

关于折射率对散射光场分布影响的研究

根据Mie散射理论,采用理论计算和实验相结合的手法,研究了光散射现象以及散射介质的折射率对散射光场分布的影响.通过对空气中不同折射率的散射介质形成的散射光场光强的实验比较,论证了散射介质折射率的实部变化对散射光强的影响不大,其主要影响是通过对相位的变化来实现的,也即散射介质折射率的虚部变化对光强的影响很大,在实际应用中不可忽略.这一结论对以散射光场的分布为基础的各种研究具有一定的指导意义.     

结合计算层析与光学相干层析测量折射率分布

通过将计算层析技术与光学相干层析技术相结合,测量散射介质非均匀折射率分布。该方法测量散射样品折射率分布时,通过光学相干层析技术测量散射样品折射率分布在多个方向上的投影,采用计算层析技术实现对样品折射率分布的层析重建,克服了传统折射率光学测量方法如单纯的基于光学相干层析原理的焦点追迹法和光程匹配法,不能测量散射介质非均匀折射率分布的缺点。采用该方法在实验中对梯度折射率棒的径向相对折射率分布进行层析重建,取得了较好的实验结果。     

Mie光散射理论的数值计算方法

Mie散射级数的计算速度和精度对颗粒测量结果有着重要的影响。针对不同颗粒直径和相对折射率，一般采用前向递推，后向递推，连分式法等计算Mie散射级数。在这3种方法的基础上提出一种改进算法，即首先通过连分式法计算Mie散射级数的初始值，然后后向递推其余各值。该算法在Matlab中实现时，数据以数组的数据类型存储和调用，程序采用递归算法。通过比较计算结果发现，该算法耗时短且结果不易溢出，具有快速、稳定、不受颗粒直径和折射率范围影响等优点。     

基于Mie散射理论的颗粒粒度分布转换

使用动态光散射法可以获得颗粒的光强加权平均粒径,以及光强加权颗粒粒度分布。为获得数量或体积加权颗粒粒度分布,提出从光强分布到数量分布转换的直接比值法。该方法首先依据Mie散射理论求解不同粒径颗粒的散射光强,然后将光强分布与对应颗粒的散射光强进行比对,获得颗粒的数量分布,进而得到颗粒的体积分布。使用动态光散射法测量得到聚苯乙烯乳胶球混合样品的光强分布,利用直接比值法将光强分布转换为数量分布和体积分布,并与扫描电子显微镜测量的数量分布进行了对比,实验数据表明采用直接比值法能够获得准确的数量分布。     

基质折射率对金属粒子散射特性的影响

基于Mie散射理论，给出了金属粒子的散射、吸收和消光截面以及散射场强度的计算公式，并计算了三种金属粒子在不同折射率基质中的光学截面和散射强度。结果表明，金属粒子的散射行为随基质折射率的变化规律相同，折射率越大散射特性越明显。     

液体薄膜遮光效应的研究

当激光束通过静态液体薄膜时,由于表面的全反射效应能够观察到液体薄膜的遮光效应.在此基础上,以白光为光源研究了液体薄膜的遮光效应.结果显示,白光光源的遮光图样非常清晰,且无激光散斑效应|遮光图样的中心是一个光强极强的亮域,该区域的外部为两个同心的环状暗场,两个暗场之间是亮场,亮暗边界十分清楚|液体薄膜遮光图样的半径大小与液体的折射率有关,液体折射率越大,遮光图样的半径越大.本文给出了液体薄膜遮光半径与液体折射率的解析关系,分析了遮光图样产生的必要与充分条件,并根据液体薄膜的遮光效应,建立了一种测量液体折射率的新方法,测量了纯净水的折射率.结果表明,该测量值与传统方法所测折射率的值相吻合且该方法具有设备简单、操作简便、重复性好、准确度高等特点.     

光学马格努斯效应中的横向角移分析

从平面角谱理论出发,建立了光束在空气和玻璃界面折射的传输模型.基于这一模型,揭示了光学马格努斯效应中的横向角移现象.对于特定的线偏振和椭圆偏振光束,其折射场重心出现了横向角移,而当入射光束为圆偏振时,横向角移则会消失.在正负折射率界面,光束的横向角移产生了反转现象,这是由于光束在左手材料中发生了负衍射.超高折射率可明显地减少横向角移,而超低折射率则可显著地增强横向角移.这些发现将为如何调控和增强光学马格努斯效应提供理论依据. 关键词： 光学马格努斯效应 横向角移 圆偏振     

Determination of refractive indices of liquids by Fresnel diffraction

We demonstrate an easy, reliable, applicable, and sensitive method to measure refractive index of liquids by using Fresnel diffraction. In this method a cylindrical glass rod, in general, or an optical fiber in special case, is immersed into a liquid. Physical parameters of the rod, like radius and refractive index, should be well known. Then, the normalized intensity distribution on the Fresnel diffraction pattern of a plane wave diffracted from the immersed fiber is measured. Thereafter, refractive index of the liquid is evolved by the least-square method. This method applied to determine the refractive index of four liquids; pure water, 2-propanol (isopropanol), acetone and methanol. Index of refraction of each one has been acquired for four visible wavelengths. A theoretical approach and experimental results is presented.     

Numerical ray tracing through a modified cladding fiber optic segment sensors

By using 3-D geometric optics, the effect of a modified cladding on the transmission of light through optical fiber is investigated. Analysis of the light transmission of the optical fiber as function of the modified cladding refraction index and length are presented for various input illumination focused and compared with 3-D ray theory. Applications to chemical sensors are also discussed.The intensity of light signal transmitted through an optical fiber, which its cladding over a finite length is removed, is used as a sensor of refractive of liquids, in which the fiber is immersed. The transmitted light intensity is measured as a function of liquid refractive index for different lengths of the unclad section of the fiber and at each unclad length its sensitivity to change in refractive index of liquid is presented.     

一种分辨力达纳弧度量级的角位移传感新方法

提出了一种测量微小角位移的新方法,该法基于一种金属包覆波导结构,通过棱镜耦合激发空气导波层中的超高阶导模作为灵敏探针。当被测部件发生微小偏转时,空气层厚度和导模的有效折射率也因此改变,从而引起耦合光束的反射光强急剧变动,其变动幅度与部件的角位移量近似成正比关系。对传感的灵敏度进行了数值分析,结果表明导模的有效折射率是影响灵敏度的重要参量。采用一种类似悬臂梁的结构产生可控微小角位移,并以此对平均灵敏度进行了测算,得到的结果与理论预测值符合得较好(相对误差约为3%)。理论和实验结果表明,只要部件的偏转半径达到厘米量级,就可以实现分辨力达10-9rad数量级的角位移传感。     

Spin-to-orbital angular momentum conversion in spin Hall effect of light

From the viewpoint of classical electrodynamics, we identify the role of spin-to-orbital angular momentum conversion in spin Hall effect (SHE) of light. We introduce a distinct separation between spin and orbital angular momenta to clarify the spin–orbital interaction in conventional beam refraction. We demonstrate that the refractive index gradient can enhance or suppress the spin-to-orbital angular momentum conversion, and thus can control the SHE of light. We suggest that the metamaterial whose refractive index can be tailored arbitrarily may become a good candidate for amplifying or eliminating the SHE of light, and by properly facilitating the spin-to-orbital angular momentum conversion the SHE may be enhanced dramatically. The transverse spatial shifts governed by the spin-to-orbital angular momentum conversion, provide us a clear physical picture to clarify the role of refractive index gradient in the SHE of light. These findings provide a pathway for modulating the SHE of light and can be extrapolated to other physical systems.     

液体表面光场环状暗斑效应及折射率测量

实验发现透过液体介质的光场出现了一环状暗斑效应。进一步研究表明,该效应是由于光在液体介质表面发生全反射引起的,环状暗斑半径的大小与液体折射率和液体厚度有关,当液体折射率一定时,液体厚度越厚,暗斑半径越大;光液体厚度一定时,折射率越大,暗斑半径越小。进而建立了环状暗斑半径与液体折射率之间的关系,提出了一种测量液体折射率的新方法。     

测定新月形薄透镜折射率和曲率半径的简单方法

介绍了新月形薄透镜距测定中观察到的球面反射成像及折－反－折成像，指出利用这一现象可较好地测定其折射率及前后表面的曲率半径。     

Refractive index profiling of a GRIN optical fiber using a modulated speckled sheet of light

A method for calculating the refractive index of GRIN optical fiber from its transverse interference pattern is presented.In this method the transverse interference fringe pattern through an optical fiber using a sheet of light is applied to get the refractive index profile of it. The optical fiber is not immersed in a matching liquid as used in different techniques [Barakat N, El-Hennawi HA, El-Zaiat SY, Hassan R. Pure Appl Opt 1996;5:27].In this method a sheet of He–Ne laser light is allowed to illuminate the fiber. The light sheet is divided into two parts, the first is refracted through the fiber while the second is used as a reference beam. Interference pattern will be obtained between these two rays displaying the refractive index variation along the fiber radius.The fringe shift of such interference pattern has been measured and used to calculate the deflection angle of light refracted by the fiber and the cladding. An equation is derived to calculate the refractive index profile difference ratio δn at different positions across the fiber cross section in terms of the corresponding deflection angle and is verified experimentally.The optical path difference between these two rays (refracted and reference beam divided by the fiber) has been derived and the fringe shift obtained has been used to calculate the refractive index profile of the fiber.Introducing a ground glass screen on the passage of the two light beams (refracted and reference beam divided by the fiber), two superimposed identical speckle patterns are formed leading to the formation of a third speckle pattern modulated by a grid structure displaying the optical thickness of the fiber.     

水中气泡上的体散射函数的模拟与计算

基于几何光学的基本原理,推导出一种可以计算水中大尺度气泡上光散射角度与强度的关系式。推导中避免引入衰减因子G,较Davis模型更为简单。该模型可应用于光在水中单个气泡上散射的数值计算。最后,模拟计算了平行光束入射水中气泡的体散射函数曲线,发现水中气泡的前向散射远大于后向散射;当气泡半径在远大于光波波长的前提下变化时,气泡上散射光强分布规律与气泡半径无关;而介质相对折射率的增大会削弱前向散射而增强后向散射光强。