偏振共焦扫描激光显微镜的成像特性研究

讨论了共焦扫描激光显微镜的纵向分辩率和信噪比对三维成像能力的影响, 给出了纵向分辨率极限的判据, 提出了旨在提高信噪比进而获取强表面反射或弱散射物体以及偏振物体的显微结构图像的偏振共焦扫描激光显微镜     

偏振共焦扫描显微镜的成像特性研究

讨论了共焦扫描激光显微镜的纵向分辨率和信噪比对三成像的影响,给出了纵向分辨主极限判据,提出了旨在提高信噪比进而获取强表面反或弱散射物体以及偏振物体的显微结构图象的偏振共振扫描激光显微镜。     

偏振-米散射激光雷达的研制

研制的偏振-米散射激光雷达（PML）,可用于探测卷云和沙尘气溶胶的后向散射光退偏振比以及研究流层大气气溶胶的消光特性。采用窄带滤光片和光阑,将接收到的激光大气回波信号谱线（米散射和瑞利散射光谱）从天空太阳背景噪声中分离出来,以提高系统的白天探测能力。介绍了偏振-米散射激光雷达的结构、技术参数、测量方法和数据处理方法。对偏振-米散射激光雷达的性能参数进行了测定,并对测定结果进行了分析与讨论,给出了偏振-米散射激光雷达对合肥市地区(117.16°E, 31.90°N)上空大气气溶胶的消光特性和卷云的结构、退偏振比垂直廓线以及光学厚度的典型探测结果,对这些结果进行了分析和讨论。结果表明：研制的偏振-米散射激光雷达性能可靠,能对大气气溶胶和卷云的物理和光学特性进行有效的探测。     

激光散射场理论及其应用

在薄层散射的基础上，研究了寻常散射和非常散射的差别，建立起了散射椭圆的模型。然后从薄层散射过渡到厚层散射，检测了激光在水中的散射场和退偏振度，并对前向散射和后向散射导出了简化的场强计算公式：公式中的常数一散射率成为评价激光散射场和退偏振的依据。本研究的结论直接对提高水中目标探测的信噪比有现实意义。     

超低空状态下海面激光后向散射测量与仿真

海面的激光散射特性是制约激光雷达对低空飞行器进行探测与识别的关键因素之一.模拟超低空状态,通过人工造渡池模拟不同海情的海面,采用激光散射测量装置在典型海情下近距离海面获取了激光后向散射数据;采用网格化分割海面,根据Pierson-Moscowitz谱构建了三维时变海面几何模型,利用Torrance-Sparrow模型模拟分析海面的近距离激光后向散射特性.测量和仿真数据表明:实测与仿真结果一致,海面的激光散射受海面几何波形调制;其强度随擦地角增大而增大;由于海面的随机起伏,海面散射极大值存在较大范围波动,并且波动随擦地角减小而增大.     

两种模拟水云对偏振激光雷达退偏振的蒙特卡罗方法研究

激光雷达探测水云时,多次散射会使雷达回波产生退偏振效应,云层对激光的退偏振比与云层微物理特性信息含有特定的关系,利用这种关系可以反演云层的微物理特性,但是这种关系需要利用理论模拟进行研究和探索,理论模拟激光雷达退偏振效应的方法主要是蒙特卡罗方法。给出了两种不同思路的蒙特卡罗模拟方法:一是通过跟踪光子在每一次散射后,由光子方向矢量和Z轴构成的子午面来模拟,光子相对于子午面的偏振状态由斯托克斯参量表示;二是将光子的偏振状态用一个三元单位矢量组来表示,每次散射后,根据统计抽样得到的散射角和方位角对其进行旋转,从而跟踪光子偏振态的变化。给出了详细的模拟过程,并利用两种方法分别计算了水云的退偏振比,模拟结果显示这两种方法得出的结果完全一致。     

不同气溶胶环境中相干激光雷达回波特性

基于Mie散射理论,给出了利用半解析蒙特卡罗法模拟气溶胶粒子对水平线偏振激光后向散射的主要过程;基于气溶胶和云的光学特性库,选择了4种典型环境、5种典型气溶胶组分和3种湿度条件,分别计算了1.5μm和2.0μm波段处后向散射回波的退偏度、偏振度和回波光子数,得到了后向散射光的偏振特性随各组分粒径的变化规律以及各气溶胶环境的后向散射激光回波特性,并分析了不同环境下达到相同探测性能时所需的激光功率比,为远距离高精度相干激光雷达系统的设计和分析提供了参考。     

生物战剂气溶胶激光雷达遥测技术研究

基于激光诱导荧光（LIF）原理和弹性散射作用于非球形粒子上形成的偏振特性,设计并研制由3个激光波长、2个接收望远镜、退偏组件和荧光光谱仪等组成的生物战剂/气溶胶Mie散射、荧光和偏振激光雷达。退偏比的水平测量结果表明:1） 退偏比表现出较强的波长依赖性;2） 多波长退偏比测量可以显著提高生物战剂的鉴别能力。退偏比的垂直测量结果表明:气溶胶在边界层内总体上维持在较低的水平,在温湿压风等气象条件和光生化条件的作用下,对流层底层空变化明显,在部分云团处,退偏振比可达0.3;气溶胶的Mie散射时空分布表明,355 nm波长的测云能力在激光出射能量相当时较532 nm强。     

基于偏振的暗通道先验去雾

基于暗通道先验去雾的图像增质方法在目标探测中表现良好,但其以光强信息为载体,光学维度单一的不足导致其目标表征效能下降.本文借助偏振对物理属性的敏感特性,提出在传统暗通道先验去雾方法中引入偏振信息来增强不同物体之间的辨识程度.研究了暗通道先验去雾方法中退散射与偏振探测的理论,并搭建机械式偏振滤波成像设备在雾天环境对所提方法的目标表征功能进行了实验验证.研究表明,基于偏振的暗通道先验去雾方法能够同时获取物体的光强与偏振信息,与传统暗通道先验去雾方法相比,利用目标与背景的偏振差异能够明显地提高二者对比度.此研究结果可应用于现有的偏振成像仪器系统,实现退散射与偏振信息的实时提取,进一步提高雾天目标探测与表征的效率.     

偏振-米散射激光雷达对卷云的探测

 研制了一台偏振-米散射激光雷达,用于卷云和沙尘气溶胶后向散射光退偏振比的探测研究。介绍了偏振-米散射激光雷达的探测原理,叙述了偏振-米散射激光雷达的结构、技术参数、测量方法和数据处理方法。给出了偏振-米散射激光雷达对合肥市西郊上空卷云的结构、退偏振比垂直廓线以及光学厚度的典型探测结果,对这些结果进行了分析和讨论。初步探测结果表明,合肥西郊上空高度在6～10 km的卷云的退偏振比在0.2～0.5之间,该激光雷达可以对卷云进行有效的探测,能较好地反映卷云及其光学特性的时空分布。     

实际加工表面红外激光散射特性的实验研究

为了研究激光在实际加工表面的散射特性,利用分辨率为10 nW的激光功率计PM100D,波长为1550 nm的激光器和精密转台,自行设计并搭建了半球空间中目标表面散射特性的测量系统. 以典型的刨床加工的若干标准粗糙度比较样块为被测目标,在1550 nm红外激光以不同方位照射下,测量了微观具有V形槽结构的不同粗糙度的样块表面的散射功率分布. 实验结果转换成双向反射分布函数后,对比分析了入射光方位、入射角和表面粗糙度对此类典型表面散射特性的影响,并分析了特殊散射场形成的原因. 结果表明,表面纹理、入射角以及粗糙度均对目标表面的散射特性有规律性影响,这一结果对于具有规律性加工纹理表面的散射特性的研究和建模有一定的参考价值,对激光技术在实际加工表面的应用研究提供了一定的基础. 关键词： 散射特性 双向反射分布函数 红外激光 实际加工表面     

Plasmonic laser nanoablation of silicon by the scattering of femtosecond pulses near gold nanospheres

We present the fabrication of nanostructures ablated on silicon(100) by the plasmonic scattering of 780 nm, 220 fs laser pulses in the near-field of gold nanospheres. We take advantage of the enhanced plasmonic scattering of ultrashort laser light in the particle near-field to ablate well-defined nanocraters. Gold nanospheres of 150 nm diameter are deposited onto a silicon surface and irradiated with a single laser pulse. We studied the effect of laser polarization on the morphology of ablated nanostructures and estimated the minimum fluence for plasmonic nanoablation. When the polarization of the incident radiation is directed at a 45° angle into the substrate surface, a near-field enhancement of 23.1±7.6 is measured, reducing the required silicon ablation fluence from 191±14 mJ/cm² to 8.2±2.9 mJ/cm². Enhancements are also measured for laser polarizations parallel to the substrate surface when the substrate is angled 0° and 45° to the incident irradiation, giving enhancements of 6.9±0.6 and 4.1±1.3, respectively. Generated nanocrater morphologies show a direct imprint of the particle dipolar scattering region, as predicted in our theoretical calculations. The measured near-field enhancement values agree well with the maximum field enhancements obtained in our calculations. The agreement between theory and measurements supports that the nanocraters are indeed formed by the enhanced plasmonic scattering in the near-field of the nanoparticles. PACS 42.62.-b; 52.38.Mf; 81.65.Cf; 81.16.-c; 78.67.Bf     

海洋混合悬浮颗粒对蓝绿激光的散射特性研究

激光在水下的传输很大程度上会受到海水中悬浮颗粒物的影响,而目前对于海洋中悬浮颗粒物光散射的理论研究大多是针对单一成分的悬浮粒子而进行的,但是在真实海洋中悬浮颗粒物都是以多种成分混合的颗粒群形式而存在的,因此研究真实海洋中混合悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性具有重要意义。该研究选取了对蓝绿激光传输产生较大影响的浮游藻类植物、悬浮泥沙、碎屑、悬浮气泡和矿物质这五种常见的悬浮颗粒物作为研究对象,充分考虑真实海况中这五种悬浮颗粒物的不同混合情况,构建了海水中混合球形悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性模型。数值计算了海水中五种物质混合的球形悬浮颗粒物对532 nm蓝绿激光的统计平均光散射参量和平均散射相函数,分析不同混合悬浮颗粒物的混合比对平均散射、吸收和消光系数以及单次反照率随着粒子有效半径和粒子数浓度变化的影响,同时分析了不同粒子尺寸下的不同混合比对混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着角度变化的影响。数值结果表明,当悬浮泥沙在整个混合模型中占比越大时,平均散射系数越大,而当悬浮藻类粒子在整个混合模型中占比增大时,平均吸收系数增大,由此可知海洋中对光造成主要影响的五种常见悬浮颗粒物中,悬浮泥沙对光散射作用影响最大,悬浮藻类粒子对光吸收作用影响最大。随着悬浮颗粒物浓度的增大,混合粒子的单次反照率保持不变,由此可知混合悬浮颗粒物的平均光散射参量随着粒子浓度的增长速率是一致的。海洋中混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着粒子的有效半径的增大而增大,散射作用最大的混合比下的悬浮颗粒物其平均散射相函数最大,悬浮颗粒物的前向散射较强。该工作对蓝绿激光在海水中传输、信道建模,水下无线光通信的研究以及激光探测都具有重要的理论指导意义。     

碳纳米粒子悬浮液光限幅性能数值模拟

碳纳米粒子悬浮液具有良好的光限幅性质,是一种优良的宽波段光限幅材料。通过热传导方程和米氏散射理论建立了微气泡半径与入射光能量、碳纳米粒子悬浮液散射系数和透过率的理论模型。采用Matlab数值模拟了散射系数随微气泡尺寸因子的变化关系,碳纳米粒子悬浮液光限幅性能随入射光能量的变化规律。研究了气泡尺寸因子、入射激光能量以及波长对碳纳米粒子悬浮液光限幅特性的影响。研究发现当激光能量达到一定值时,微气泡的半径保持恒定,不再随入射激光能量的增加而增加。微气泡尺寸的增大对碳纳米粒子悬浮液的透过率有着显著的影响。同时,碳纳米粒子悬浮液对不同入射光波长和光能表现出不同的光限幅性能。研究结果为实验研究提供了理论指导。     

电子入射角度对聚酰亚胺二次电子发射系数的影响

采用具有负偏压收集极的二次电子发射系数测试系统, 对聚酰亚胺样品的二次电子发射系数与入射电子角度和入射电子能量的关系进行了测量. 测量结果表明, 在电子小角度入射样品的情况下, 随着入射角度的增加, 二次电子发射系数单调增加, 并符合传统的规律, 但是在电子大角度入射时, 却与此不符合. 测量显示, 出现偏差时对应的临界电子入射角度随着入射电子能量的降低而减小. 采用简化的电子弹性散射过程和卢瑟福弹性散射截面公式对这种偏差的出现进行了分析, 并推导出修正后的二次电子发射系数的计算公式. 修正后的二次电子发射系数的计算结果更加符合实验结果.     

微粗糙硬铝表面双向反射特性实验研究

本文基于四波段双向反射分布函数测试平台,对微粗糙硬铝表面的光谱双向反射分布函数进行了实验测量,考察了微粗糙尺寸参数、入射角度和入射辐射波长对表面辐射特性的影响。测量结果显示了明显的镜反射特征,粗糙的表面结构还引起了后向反射增强现象,长波入射和大角度入射增强后向反射效应。     

Design and experimental research of angle self-compensation setup for BSDF measurement

When using a single reference to measure the bi-directional scattering distribution function （BSDF）, the incident zenith angle of the tested sample must be identical to that of the reference. In order to get the hemisphere space scattering characteristic on the sample surface, usually a motor drives the sample tilting, then the incident zenith angle is changed and needs to be the compensated by another motor. We mathematically deduce the expression of compensation angle when the incident zenith angle is changed by the rotation of motor. After the incident angle is compensated, the scattering zenith angle and azimuth angle are deduced too. The uncertainty of the system is 0.75%. Scattering measurements are performed on copper sample with visible light under different temperatures.     

Size dependent optical characterization of semiconductor particle: CdS embedded in polymer matrix

We report the optical investigation and analysis of both nano-sized and micrometer size Cadmium Sulphide particles which is embedded in a transparent polyvinyl alcohol (PVOH) dielectric host material. A designed and fabricated laser based light scattering system using a He-Ne laser of wavelength 632.8nm was used for the measurement and study of the scattering properties of the particles as a function of the scattering angle at this wavelength. An attempt was made to experimentally determine the most significant elements of the Mueller scattering matrix using combinations of randomly and linearly polarized incident laser beam and subsequent analyzers in corresponding orientations. The analysis of the experimental data was done by the method of comparison with theoretically generated data. Novel computational technique, involving single scattering for spherical particles using Mie-theory, was developed and applied. The theoretical data was found to be in good agreement with the experimental data within an acceptable margin of error. The results have proved that the combination of the experimental setup and associated computational method is a highly efficient and reliable in-situ system for monitoring size growth of semiconductor particles in the laboratory.     

激光诱导荧光毛细管电泳DNA检测系统信噪比分析

建立了用于DNA分析的激光诱导荧光检测毛细管电泳系统,分析了垂直入射激发光在毛细管中的行进和高分子溶液电泳筛分介质的瑞利散射及毛细管壁折反射引起的激发光背景噪音.利用光线追迹法计算了折反射引起的背景噪音随激发光和收集方向角度不同时的分布曲线以及荧光在各个方向的分布曲线.两种噪音比较表明,散射噪音比激发光背景噪音低4个数量级,可以忽略.模拟表明,光轴方向荧光最强,90°方向最弱,变化在6.5％内.激发和收集方向成105°时,背景噪音最小,可以获得最大的信噪比,最后对模拟结果进行了实验验证.     

气溶胶凝聚粒子散射特性的数值计算

利用Cluster-cluster aggregation (CCA)模型,模拟了由相同数目球形原始微粒凝聚而成的四种随机取向气溶胶凝聚粒子．根据物质的电结构,将气溶胶凝聚粒子离散为一系列偶极子,结合离散偶极子近似方法,在获得每一个偶极子的电偶极矩之后,数值计算了气溶胶凝聚粒子散射强度的角分布,并分析了散射强度随入射光入射角度和气溶胶凝聚粒子尺寸参数变化的规律．结果显示：当散射角较小时,气溶胶凝聚粒子取向和入射光的入射角度对散射强度影响不大,当散射角增大时,散射强度则明显依赖于气溶胶凝聚粒子取向和入射光的入射角度;对于不同尺寸参数的气溶胶凝聚粒子,在同一角度入射情况下,随尺寸参数的增加,气溶胶凝聚粒子的散射主要集中于前向散射．