基于MATLAB与LabVIEW的 Mie散射参数分析系统

针对激光散射法测量0.1 m~10 m微小球形颗粒过程中,Mie散射理论各参数的分析、计算、最优化选取比较复杂和繁琐,通过收敛速度、折射率和尺度参数测量范围、叠加次数的比较,采用球形粒子Mie散射参量的MATLAB改进算法, 结合MATLAB较强的计算能力和LabVIEW良好的图形化界面,进行LabVIEW和MATLAB混合编程。设计了Mie散射理论参数分析系统,系统实现散射系数的计算,并分别对散射系数与颗粒直径关系曲线、散射强度分布曲线、入射光波长与散射光强关系曲线、颗粒直径与散射光强关系曲线、入射光偏振角与散射光强关系曲线进行分析。通过实验结果和结论对比验证系统可行,且散射系数、消光系数和散射光强的计算结果可精确到小数点后17位,从而达到减少大量计算和编程工作的目的。     

超短THz脉冲在随机散射介质中的传播

用Monte-Carlo方法模拟了超短THz脉冲在随机散射介质中的传播.根据Mie理论计算出随机散射介质的散射系数和各向异性因子，研究了随机散射颗粒及介质厚度的大小对透射脉冲的影响.结果表明在Mie散射范围内，在相同的浓度下，颗粒尺寸越小，散射介质越厚，THz散射越严重，对透射脉冲的影响越大.散射同时降低了THz脉冲在随机散射介质中的成像分辨率. 关键词： 超短THz脉冲 随机散射介质 Mie理论 Monte-Carlo方法     

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     

超宽频带THz脉冲在随机散射介质中传播的理论研究

研究了超宽频带THz脉冲入射到散射介质中时其透射脉冲的时空特性.根据Mie理论计算出随机散射介质的散射系数和各向异性因子,用时间分辨Monte Carlo方法模拟了超宽频带的THz脉冲在随机散射介质中的传播,研究了在不同散射颗粒半径,不同频宽的THz入射脉冲对透射脉冲的影响和散射对成像分辨率的影响.结果表明:散射会降低THz脉冲在随机散射介质中的成像分辨率,散射颗粒越小,散射介质越厚,其成像分辨率越差.     

近距离雾的激光多次散射模拟

为了满足精确快速获取雾的多次散射仿真需求,在近程雷达距离较近情况下,将雷达方程和Mie散射理论相结合,提出一种快速有效的激光多次散射计算方法.首先通过雾滴谱模型建立雾颗粒的几何模型,然后根据Mie散射理论获得的单个粒子的散射函数计算激光在雾模型中单个颗粒的一次散射和二次散射功率密度,结合雷达方程推导出雾的多次等效散射截面和散射系数计算函数.模拟计算表明:雾的激光二次等效散射截面与雾浓度的2/3次方成正比,二次散射系数随能见度增加的衰减比一次散射系数快.     

微小颗粒的光散射数值模拟

简单介绍了以经典Mie理论为基础的光散射测量技术在颗粒直径和颗粒浓度测量中广泛的应用。分别以Mie理论和离散偶极子近似理论(DDA)为基础, 用数值计算方法分析了球型颗粒的光散射特性，给出了微小颗粒对平行入射光散射的强度函数和散射偏振度的数值计算方法。得到了强度函数和偏振度随相关物理参量变化的三维图，为微小颗粒散射研究提供了一种三维视图。计算结果表明：当尺度参量x＜4时，2种方法所得结果差异不大；随尺度参量增大，2种方法所得结果出现较大差异。与经典Mie理论相比，由于离散偶极子近似理论可以解决各种形状的颗粒散射问题，其应用前景更广泛。     

吸收介质中微椭球体颗粒光学参数的研究

本文应用Eikonal近似将微椭球用其等效的球来近似, 结合Mie理论对吸收介质中微椭球体颗粒光学参数进行了数值计算。 结果表明, 椭球位置变化时, 散射和吸收性能发生变化。离心率增大时, 散射和吸收系数都增大, 离心率越大增大的越明显。波长增大时, 在紫光波长为0.4 μm和近红外区波长为1.58 μm处散射系数出现了峰值, 而吸收系数单调增大。相对折射率实部以及虚部变化对光学参数均有影响, 颗粒的吸收性越强, 散射相应地减弱。结果表明这种数值解析方法能有效地计算椭球体颗粒的光学参数。     

两种按比例混合颗粒系的多次散射模拟

一种颗粒与其他种类的颗粒混合后, 会使其散射特性发生变化, 本文研究了水云中混有黑炭气溶胶后的散射特性变化. 根据Mie理论计算了水云和黑炭气溶胶散射相函数、单次散射反照率和不对称因子. 给出了混合颗粒系的蒙特卡罗模拟方法, 给出了颗粒碰撞类型抽样、自由程抽样和根据Mie相函数进行散射方向抽样的方法. 计算了光垂直入射时, 水云和黑炭气溶胶混合颗粒系的反射光强随观测角的变化, 并计算了平面反照率随入射角的变化, 讨论了黑炭气溶胶的有效半径、混合比例对整个混合颗粒系散射特性的影响. 计算结果表明, 水云中混合黑炭会加强其吸收, 且黑炭的比例和尺寸不同其散射特性差异较大.     

熔石英亚表面球形杂质对入射光场的调制作用EI北大核心CSCD

建立激光辐照下熔石英体内球形杂质引起元件损伤的模型。基于Mie理论计算杂质的散射系数,研究杂质颗粒附近的调制光场分布,分析光强增强因子(LIEF)与杂质折射率及半径的关系。结果显示,杂质颗粒半径小于40 nm时,所有类型杂质对光场的调制作用可以忽略;颗粒半径大于40 nm时,对于折射率小于熔石英的非耗散杂质,LIEF随颗粒半径的增大和折射率的减小而增大,且后向散射远强于前向散射;对于折射率大于熔石英的非耗散杂质,随着折射率和半径的增大,LIEF整体趋势增大,局部达到102量级。对于耗散杂质,前向散射强度随颗粒半径的增大先增大后减小,当颗粒半径大于170 nm时,后向散射强于前向散射。     

熔石英亚表面球形杂质对入射光场的调制作用

建立激光辐照下熔石英体内球形杂质引起元件损伤的模型。基于Mie理论计算杂质的散射系数,研究杂质颗粒附近的调制光场分布,分析光强增强因子(LIEF)与杂质折射率及半径的关系。结果显示,杂质颗粒半径小于40 nm时,所有类型杂质对光场的调制作用可以忽略;颗粒半径大于40 nm时,对于折射率小于熔石英的非耗散杂质,LIEF随颗粒半径的增大和折射率的减小而增大,且后向散射远强于前向散射;对于折射率大于熔石英的非耗散杂质,随着折射率和半径的增大,LIEF整体趋势增大,局部达到102量级。对于耗散杂质,前向散射强度随颗粒半径的增大先增大后减小,当颗粒半径大于170 nm时,后向散射强于前向散射。     

Ar+激光和532 nm激光及其线偏振激光辐照光学模型下人正常小肠组织光学特性

采用双积分球系统和光辐射测量技术的基本原理以及运用生物组织的光学模型 ,研究了 4 76 5 ,4 88,4 96 5 ,5 14 5 ,5 32nm激光及其线偏振激光辐照人正常小肠组织的光学特性。结果表明 :组织对激光及线偏振激光的衰减系数和散射系数随着波长的减小而增大 ,而 5 14 5～ 5 32nm波长之间 ,线偏振光与非线偏振光入射则开始有明显差异。吸收系数是随着波长的减小而缓慢地增大 ,而 5 14 5～ 5 32nm波长之间吸收系数的改变则明显变小 ,与是否线偏振光入射无明显差异。平均散射余弦也是随着波长的减小而增大 ,光学穿透深度则是随着波长的增大而增大 ,折射率在这五个波长范围内的值在 (1 38～ 1 4 8)之间。Kubel ka Munk二流模型下组织对同一波长的激光及其线偏振激光的吸收系数、散射系数、总衰减系数、有效衰减系数没有显著性差异 (P >0 0 5 )。组织对不同波长的激光或其线偏振激光的吸收系数、散射系数、总衰减系数、有效衰减系数是有差异的。而在 5 14 5～ 5 32nm波长之间其光学特性参数有较为明显的差异。     

皮肤组织容积脉搏波400~1000 nm光谱特性仿真研究

根据皮肤组织解剖结构特性建立了六层层状模型,并给出了皮肤组织各层的特性参数;考虑了氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收特性,依据皮肤组织各层的水、血、脂肪、血氧饱和度含量以及血管大小给出了皮肤组织各层的光谱吸收系数;对不同波长散射系数做了适当简化,给出了皮肤组织各层的光谱散射系数。利用蒙特卡罗方法仿真血管组织在收缩与舒张两种状态下, 400~1 000 nm波长光在皮肤组织多层模型中的传输过程,并通过统计大量光子的分布特性,获得了皮肤组织光谱反射系数,并利用模拟所得的两种状态下的反射系数计算得到了光谱容积脉搏波幅度。仿真结果表明,当入射光强一定时,绿光的容积脉搏波幅度优于红光和蓝光。通过计算不同波长光沿皮肤组织深度方向光能流率衰减为1/e时对应的皮肤组织深度,获得了皮肤组织光谱穿透深度。结果显示,血管舒张状态下蓝光和绿光的穿透深度较小,蓝光大部分只能达到表皮层,绿光能到达微循环层,红光可直达真皮层。考虑到光在皮肤组织中传播包含了一个从收缩到舒张的动态过程,基于此,根据穿透深度定义了脉搏波信号产生深度,利用血管舒张与收缩两种不同状态下的穿透深度计算得到了光谱产生深度。结果表明,不同波长光产生深度大于其穿透深度,蓝光产生深度较浅,且其受到的血液吸收调制较小,因而其获得的脉搏信号易受噪声干扰;红光的容积脉搏波产生深度较大,但是相比于绿光其受血液吸收调制较小,且绿光产生深度足够达到真皮血管层,因而红光容积脉搏波的幅度小于绿光。上述仿真结果明确了皮肤组织部分光谱特性,为皮肤组织多光谱容积脉搏波的精确获取及其他相关研究提供了一定的理论基础。     

Noninvasive optical method for determining the scattering coefficients and the specific volume of blood in biological tissue <Emphasis Type="Italic">in vivo</Emphasis>

We propose a method for determining the scattering coefficients of biological tissue and changes in the relative volume of blood. The method is based on the difference of the parameters of optical radiation that has passed through a biological tissue and the radiation scattered by it in the opposite direction. The obtained correlations between the ratio of the scattered light modulation coefficients at two wavelengths and the biotissue parameters permits determination of the tissue characteristics directly in the living organism. The scattering coefficients at different wavelengths and the values of the relative volume of blood for different anatomical zones and its changes during physiological loads have been calculated.__________Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 72, No. 1, pp. 119–123, January–February, 2005.     

Fractal mechanisms of light scattering in biological tissue and cells

We use fractal continuous random media to model visible and near-infrared light scattering by biological tissue and cell suspensions. The power law of the reduced scattering coefficient, the anisotropy factor of scattering, and the phase function are derived with good agreement with experimental results. Implications for spectroscopic tissue diagnosis are discussed.     

基于Mie散射理论的C@H_2O复合粒子散射特性研究

大气中大量存在的复合粒子会对激光传输效率产生很大影响。由于空气中水蒸气含量较高,以C作为凝结核外层包裹以水的核壳结构微粒对光传输具有明显的散射效应。本文应用Mie散射理论对C@H_2O核壳结构微粒的散射特性进行了理论分析和数值计算,首先给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下散射强度分布变化曲线;其次给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下偏振变化情况;最后讨论了光学截面与粒子半径之间的关系。结果表明各参数对前向散射强度影响较大,入射波长越大散射强度越弱,C核半径增大粒子的前向散射增强,水膜厚度增大粒子的前向散射增强,而后向散射无明显影响;入射波长较大时,粒子在多个角度出现线偏振光,入射波长增大、碳核半径变大、水膜厚度增大,偏振度峰值都会增多;随着入射波长的增大,散射截面最大峰值位置向着半径增大的方向移动,并伴随一定的振荡现象,散射和消光截面在碳核半径为0.1μm左右达到最大值。     

TiO2 颗粒紫外区Mie散射特性

应用Mie散射理论对紫外光下TiO₂微粒光散射特性进行了理论分析与数值计算,得到了散射强度分布、偏振度与散射角、散射强度与参数X以及光学截面与粒子半径的关系。结果表明,前向散射强度随着粒子半径的增大而增强;当粒子半径为50 nm左右,散射截面和吸收截面达到最大值。     

Diffuse-reflectance spectroscopy from 500 to 1060 nm by correction for inhomogeneously distributed absorbers

Diffuse-reflectance spectroscopy for measurement of the absorption and scattering coefficients of biological tissue produces reliable results for wavelengths from 650 to 1050 nm. Implicitly, this approach assumes homogeneously distributed absorbers. A correction factor is introduced for inhomogeneous distribution of blood concentrated in discrete cylindrical vessels. This factor extends the applicability of diffusion theory to lower wavelengths. We present measurements of in vivo optical properties in the wavelength range 500-1060 nm.     

不同波长的散射介质后向散射光偏振度特性

基于Stockes矢量,通过测量以线偏振光和圆偏振光入射时脂肪乳剂后向散射光的偏振度,研究了532 nm、650 nm和780 nm三个波长的光与散射粒子粒径为325 nm的脂肪乳剂溶液作用后,其后向散射光的偏振度特性.研究结果表明,对于入射线偏振光,780 nm波长后向散射光中的线偏振光成分多于圆偏振光成分,而532 nm波长则相反;对于入射圆偏振光,三个波长后向散射光中的圆偏振光成分均多于线偏振光成分;532 nm波长的总偏振度高于650 nm和780 nm两个波长各自的总偏振度;线偏振光的保偏性优于圆偏振光的保偏性,但偏振光在散射介质中的穿透深度较小.因此,后向散射成像技术适用于物体表层成像,而且选择波长略大于粒径的线偏振光可以提高成像质量.     

不同波长的散射介质后向散射光偏振度特性

基于Stockes矢量,通过测量以线偏振光和圆偏振光入射时脂肪乳剂后向散射光的偏振度,研究了532nm、650nm和780nm三个波长的光与散射粒子粒径为325nm的脂肪乳剂溶液作用后,其后向散射光的偏振度特性.研究结果表明,对于入射线偏振光,780nm波长后向散射光中的线偏振光成分多于圆偏振光成分,而532nm波长则相反;对于入射圆偏振光,三个波长后向散射光中的圆偏振光成分均多于线偏振光成分;532nm波长的总偏振度高于650nm和780nm两个波长各自的总偏振度;线偏振光的保偏性优于圆偏振光的保偏性,但偏振光在散射介质中的穿透深度较小.因此,后向散射成像技术适用于物体表层成像,而且选择波长略大于粒径的线偏振光可以提高成像质量.