梨花粉红外波段复折射率测定与分析

花粉是生物气溶胶重要的组成部分, 复折射率是研究花粉光学特性以及探测、识别生物气溶胶成分的重要参数。采用压片法对梨花粉2.5~15 μm波段的反射光谱进行了测量, 利用Krames-Kronig(K-K)关系计算了复折射率, 并就傅里叶红外光谱仪测试压片的入射角和复折射率长波长、短波长区外推两方面对结果作了误差分析。结果表明, 测试时18°入射角以及长波长、短波长区外推对梨花粉复折射率的计算结果影响不大, 利用反射光谱计算花粉复折射率的方法是可行的。计算得到的复折射率谱对梨花粉光学特性的研究以及生物气溶胶成分的探测、识别有一定的参考价值。     

微生物远红外波段复折射率测定及模型构建

选择枯草芽孢杆菌、黑曲霉孢子和黑曲霉菌丝体等3种典型微生物制备生物样品, 采用显微红外光谱仪对3种微生物样品在2.5—15 μm波段的红外反射光谱进行测定, 基于Kramers-Kronig (K-K)关系计算得到了微生物样品在6—14 μm波段的复折射率. 以水、蛋白质和核酸的红外吸收特性为基础,根据微生物样品的 红外吸收谱线计算了微生物样品含水量. 在3种微生物远红外波段复折射率和含水量的实测数据基础上, 构建了生物颗粒在6—14 μm远红外波段的复折射率模型, 分析了模型的可靠性. 模型的构建对发展生物样品的快速分析、鉴定方法, 进而推动生物气溶胶探测、识别技术进步具有重要意义. 关键词： 光学参数 微生物复折射率模型 远红外波段     

高光谱分辨率激光雷达鉴频器的设计与分析

提出了利用Fabry-Perot干涉仪的反射场实现高光谱分辨率激光雷达精细探测大气光学参量的新方法和思路.设计了高光谱分辨率的分光系统,并分析了干涉仪反射场的光谱透过特征曲线.结合高光谱激光雷达探测信号特征,讨论分析了谱分离比和瑞利信号透过率随反射率和腔长的变化曲线,同时结合误差传递公式,建立了仿真分析模型,讨论了回波光束发散角和入射角变化对激光雷达探测结果的影响.结果表明,所提出的Fabry-Perot干涉仪反射场可以实现高光谱分辨率激光雷达探测系统的精细分光,同时探测结果误差随回波光束发散角变化不敏感,控制发散角在10 mrad以内,入射角在1.5 mrad以内时,可以实现气溶胶光学参数廓线的高精度探测.     

偏振光谱BRDF建模与仿真

在偏振光条件下,物体的表面反射受到折射率、表面粗糙度、入射角等多种因素的影响。针对粗糙物体表面在不同波段光照下表现出不同的偏振反射特性,提出一种基于Kirchhof理论的偏振光谱BRDF模型。利用已知材质在不同波长下的复折射率,对其折射率和消光系数部分分别反演出的对应光谱模型,进而得到复折射率的光谱模型;同借鉴经典的表面粗糙度测量方法,结合菲涅耳反射公式,推导出表面粗糙度的光谱模型,将得到的复折射率和粗糙度光谱模型与BRDF模型相结合,推导出偏振光谱BRDF建模。模型分别在折射率随波长变化、粗糙度为常量,折射率、粗糙度均随波长变化以及原模型三种情况下进行仿真对比实验,并将所得到的数据与其他资料进行对比。其结果表明,该模型能够较为准确的反映物体表面的偏振反射特性,并且能够描述偏振度随波长变化趋势的光谱特征,能够为偏振遥感、物质分类等方面的应用提供可靠依据。     

基于神经网络的生物表面颜色特性的识别

介绍了一种光纤探头式生物表面颜色测试系统 ,利用此系统测量小区域生物表面反射光谱和确定其色坐标。通过正常生物表面反射光谱与反常生物表面反射光谱的比较 ,利用BP神经网络模型 ,实现了生物表面特性的自动分类和识别。实际应用表明 ,对于一些直观的难以区分的、差异较小的生物表面特性来说 ,采用BP神经网络方法 ,对其反射光谱曲线有较好的识别能力 ,可以识别一些小区域、小差别的生物表面特性     

典型类型气溶胶吸收光学厚度的定标规律

利用云和气溶胶粒子的光学特性软件包(OPAC)对陆地型、海洋型、沙漠型和极地型四种典型类型气溶胶的吸收光学厚度进行了计算统计分析,根据每一种类型气溶胶成分的差异,分析了气溶胶吸收光学厚度随波长及相对湿度变化的规律,建立了四种典型类型气溶胶吸收光学厚度与波长、相对湿度的定标关系。气溶胶吸收光学厚度随波长的幂指数衰减规律并不是在所有波长范围内均满足,不同类型的气溶胶,其适用的范围不同;气溶胶吸收光学厚度随波长和相对湿度的变化主要受气溶胶成分影响,相对湿度的增大会导致气溶胶吸收特性的降低,并会对吸收Angstrom指数造成影响。根据建立的气溶胶吸收光学厚度的定标关系,可由气溶胶激光雷达等设备实测的某一波长的光学参量计算光电系统对应波长、不同相对湿度情况下的光学特性。     

激光诱导等离子体光谱空间分布特性

激光波长和激光入射角是影响激光诱导等离子体空间分布和光谱强度空间分布特性的重要因素.基于流体动力学和SAHA方程,仿真了激光诱导等离子体的二维空间演化过程,研究了激发等离子体的辐射光谱空间分布特性及激光波长、入射角度等参数对等离子体特征谱线空间分布特性的影响.研究结果表明:波长为1064 nm的激光在不同延时条件下,最佳激光入射角度均为0°.当入射角度为0°时,所激发的等离子体辐射在不同的探测角度处均有较强的光谱信号,且在100,500,1000 ns延时条件下,最佳探测角分别为±41°、±11°和±12°.对于不同的波长,当延时分别为100 ns和500 ns且激光以0°入射时,长波长激光所激发的等离子体光谱在不同探测角处的强度均强于短波长激光.当延时为100 ns时,1064 nm波长激光所激发的光谱在最佳探测角位置的强度约为532 nm和266 nm波长激光所激发的光谱在各自最佳探测角位置强度的2倍.随着探测角绝对值的减小,等离子体辐射光谱强度先增大,到达最佳探测角后强度再减小.入射波长分别为532 nm和1064 nm的激光诱导击穿光谱实验结果验证了仿真结果.     

探测激光入射角对猫眼效应反射特性的影响

 光电装备的光学窗口对入射激光有较强的反射特性，即猫眼效应现象。为了研究利用猫眼效应来进行主动探测的适用条件，弄清探测激光入射角对猫眼效应反射特性的影响，建立了斜入射猫眼效应反射模型，分析并仿真了探测激光在目标系统处的入射角不同的情况下的后向反射激光特性，以及探测系统所能够接收的原路返回激光的远场能量分布情况。结果表明：对于特定的目标系统，猫眼效应现象只存在于一定的探测激光入射角范围之内，在此范围之内，猫眼效应反射特性与探测激光的入射角关系密切；基于猫眼效应的激光主动探测、定位等应用也是可行的。     

傅里叶变换红外光谱对枯草芽孢杆菌的光学特性研究

使用傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术,测量了两种不同浓度的枯草芽孢杆菌的红外透过率谱,根据朗伯-比尔定律计算出它们的质量消光截面,通过算出复折射率的虚部,再使用KK(Kramers-Kronig)关系,导出复折射率的实部,并对实验结果作了分析和讨论。通过研究枯草芽孢杆菌复折射率的测量和分析方法,对于进一步研究生物气溶胶的吸收和散射特性、拓宽生物气溶胶的测量和遥测技术方法,具有重要的意义。     

红外低发射率隐身涂层对太赫兹波的反射光谱研究

为研究红外低发射率隐身涂层对太赫兹波的反射特性,制备了红外低发射率隐身涂料,测试了其可见光效果、红外热像图及红外发射率等特性参数。以土黄色红外低发射率涂料为测试样品,利用透射式太赫兹时域光谱系统获得了样品在太赫兹波段的复折射率。分析了特征矩阵理论,并利用特征矩阵理论计算了涂层厚度(0.3~0.5 mm）与入射角度(0°~60°)的变化对入射太赫兹波反射特性的影响。结果表明,在相应厚度及入射角度范围内,太赫兹波在0.8 THz频率下具有多个反射峰值,最高值可达90%以上,有利于实现太赫兹波对红外低发射率隐身涂层下金属目标的探测。此外,涂层厚度变化对入射太赫兹波反射率具有较大影响,涂层越厚,太赫兹波的反射振荡越多,反射峰值越大。入射角度对太赫兹波的反射特性具有一定的影响,但整体影响不大,有利于太赫兹波实现多角度目标的探测。最后,以表面均匀涂覆0.42 mm厚涂料的金属板为测试样品,实验测量了样品在0.1~1.5 THz频率范围内的反射特性,并与部分理论计算结果进行对比。结果表明：实验测量结果与理论计算结果在数值和趋势上较为吻合,但也存在一定的偏差。究其原因,主要由样品厚度和样品参数误差导致,但依然可利用特征矩阵理论研究红外低发射率涂层对太赫兹波的反射光谱特性。     

光波导技术同步测量棱镜及波导薄膜参数

依据全反射理论和棱镜耦合原理,实现了对棱镜折射率及波导薄膜材料折射率和厚度的同步测量。使用高准直半导体激光器激光入射到棱镜内部与波导膜的分界面上,逐步旋转棱镜或改变棱镜的入射角,得到棱镜耦合M线,曲线前面几组的波谷为波导模激发,在M线左侧收尾处有一个不完整波峰,其反射光强随入射角迅速衰减,为全反射时的临界点,由此可实现棱镜及波导薄膜参数的同步测量;用此法测量了棱镜耦合一体化平面波导棱镜的折射率和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物波导薄膜的折射率和厚度。测量棱镜折射率精度为±1.9×10-4,波导薄膜折射率和厚度的精度分别为±6.2×10-4 μm和±1.6×10-2 μm。     

石英玻璃紫外波段折射率测量

 折射率是光学材料基本参数之一,采用直角照射法折射率测量原理,以光电瞄准法紫外光信号探测、气浮轴承构成精密测角仪角度精确测量、锁相放大器微弱信号检测、软件分析角度值与光强度变化的数据处理模型、计算机自动控制等手段,完成了一套光学材料紫外波段折射率测量仪,实现了光学石英玻璃紫外波段折射率自动测量,并实际测量得到了250 nm~450 nm波长下光学石英玻璃的折射率值。     

基于布儒斯特定律的分光仪测量玻璃折射率实验

光学材料折射率测量的常见方法有阿贝折射仪全反射法,分光仪最小偏向角法等.本文描述了运用布儒斯特定律在分光仪上测量折射率的新实验方法,并得到相关测量数据.     

Piezoelectric lattice vibrations at optical frequencies

A relationship is proposed between the piezoelectric coefficient and the dielectric constant (or refractive index) based on classical dispersion theory. Piezoelectric lattice vibrations are associated with ionic polarizations at optical frequencies. This relation is applied to study the piezoelectric lattice vibrations in α-quartz, and agreement is found between the calculated and the measured value of the piezoelectric coefficient. No direct experimental method for measurement of piezoelectric coefficients at optical frequencies exists; however, in terms of the proposed relation, piezoelectric coefficients at optical frequencies can be evaluated from infrared reflection measurements.     

Kramers-Kronig relations and sum rules of negative refractive index media

Negative refractive index media have become a hot topic in physics due to their proposed revolutionary properties, which would have drastic consequences in design of novel optical devices. We show that Kramers-Kronig relations connecting the real and imaginary parts of the complex refractive index of absorbing media are valid even though the real refractive index may take negative value at some spectral range. In addition universal sum rules for linear optical constants of negative index media are also valid. This means that negative refractive index media are not fundamentally different from regular media. Hence, any spectrum measured from negative refractive index media can be analyzed using dispersion relations and sum rules, which have so far provided information on the optical properties of materials.Received: 13 May 2004, Published online: 30 September 2004PACS: 77. Dielectrics, piezoelectrics, and ferroelectrics and their properties - 78.20.Ci Optical constants (including refractive index, complex dielectric constant, absorption, reflection and transmission coefficients, emissivity)     

A Simple Model for Measuring Refractive Index of a Liquid Based upon Fresnel Equations

Due to many experimental data required and a lot of calculations involved, it is very complex and cumbersome to model prism-based liquid-refractive-index-measuring methods. We develop a new method of mathematical modelling for measuring refractive index of a liquid based upon the Fresnel formula and prism internal reflection at an incident angle less than the critical angle. With this method, only two different concentrations measurements for a kind of solution can lead to the determination of computational model. Measurements are performed to examine the validity of the theoretical model. Experimental results indicate the feasibility of the theoretical model with an error of 1%. The method is also capable of measuring even smaller changes in the optical refractive index of the material on a metal surface by the surface plasma resonance sensing techniques.     

保偏微结构光纤啁啾光栅折射率传感特性分析

将有限元法和传输矩阵法相结合,系统地研究了保偏微结构光纤(PM-MOF)啁啾布拉格光栅的折射率传感特性。仿真研究了光纤空气孔中充入不同折射率被测物时啁啾光栅的反射谱,结果表明随着被测物折射率的增加,反射谱的面积出现明显变化,由此得到了光栅反射谱面积与被测物折射率的关系。分析了中心孔直径、啁啾系数、切趾函数等光栅结构参数对反射谱的影响。分析表明由于光纤两个方向的偏振模对温度、噪声等干扰响应相似,因此利用两个偏振模式反射谱的相对变化进行监测能够有效地降低干扰,提高传感器的稳定性;其次,由于反射谱面积正比于光强,这一方法将光栅的光谱解调转化为光强解调,简化了解调系统,便于现场实时测量。研究结果为保偏微结构光纤光栅在折射率传感器及其生物传感器方面的应用提供了理论依据。     

Fabrication and study of a metal-clad planar waveguide based biosensor

A metal-clad planar optical waveguide biosensor having five layer structure has been fabricated to study the detection of Pseudomonas and Pseudomonas-like bacteria. This waveguide is designed to increase the overlap of the evanescent field extension from the sensor face with the micro-scale biological objects in the bulk solution, to place most of the entire volume of the bacteria within the evanescent field. The results presented here leads to a significant optimization of the important design parameters to sense micro-scale biological objects. We have compared our computed results with the results obtained by similar non-metallic clad biosensor. The effect of affinity-layer refractive index on the sensitivity of these planar waveguides is also studied. We have shown this for some special cases by obtaining reflection dips at the particular angle of incidence. Our observations show that the metal-clad planar optical waveguide biosensor having higher affinity refractive index will give better sensitivity than other similar non-metallic clad biosensor. The validation of metal-clad planar optical waveguide sensor for the detection of Pseudomonas aeruginosa bacterium is also made.