浑浊介质中激光侧向散射实验与仿真研究

通过对Mie散射相位函数的累积概率密度插值获得散射角,建立了激光在浑浊介质中传输的蒙特卡罗仿真模型。借助模型研究了激光在均匀单分散聚苯乙烯浑浊介质中的多次散射现象,探究了不同光学厚度和散射相位函数的浑浊介质对激光多次散射的影响。在研究中控制5μm和10μm两种粒径聚苯乙烯颗粒的浓度,改变浑浊介质的光学厚度分别为2、5和8,进行了理论仿真和实验的二维侧向散射图像比对,发现相同介质条件下仿真与实验得到的散射光强衰减百分比差异均小于16%,散射光强曲线走势基本一致。仿真还能够提供不同散射阶次光强大小的分布情况,能准确分析多次散射的影响。     

双层散射介质的单次后向散射光谱分析

从上皮组织的结构特点出发,基于米氏(Mie)散射理论,建立了双层散射介质的单次后向散射光谱的理论模型,该模型通过偏振门屏蔽来自下层的噪声背景,只保留来自上层的单次散射光。计算分析了粒子的形态学参量如平均尺寸及其分布、相对折射率变化时,单次散射光谱的特征。并用傅里叶波形分析法研究了这些参量对单次后向散射光谱曲线形状及其谐波幅值的影响。结果表明,这些只经历了表层粒子单次散射的光谱信号对表层粒子的平均尺寸及其分布、相对折射率具有灵敏性。对光谱曲线波纹结构的幅值、频率,散射强度,光谱谐波的幅值有直接的影响。研究结果对早期癌症的散射光谱特征识别及其特征提取有重要的实用价值。     

微纳粒子光学散射分析

为实现利用光学方式对微纳尺度粒子性质的研究,探讨了亚微米线及亚微米球对光电磁波的散射效应.微纳米尺度粒子的光学散射,散射粒子尺寸与入射光波长尺寸可满足米氏(Mie)散射条件.利用Matlab数值模拟的方式,将分析结果以模拟图的形式清晰地展现出来.满足尺寸条件的层状粒子以及任意多个散射粒子存在时对电磁波的散射都可采用Mie散射分析方法,并且针对多粒子散射,分析了散射体位于不同位置时对散射造成的影响.通过分析光学散射光场相关的微分散射截面及近场散射电磁场分布,可得出散射光场随散射角度的变化趋势,以及散射光场受各类因素的影响,包括入射光偏振态、散射粒子尺寸、散射粒子结构及粒子构成层数、散射粒子数量等的影响,也包括一些隐含因素对散射光场的影响,如散射粒子与周围介质的相对折射率.本文的科学意义体现在:与入射光波长尺寸可比的亚微米尺度的粒子,可用作传感器,对于其位移的探测可通过光学方式来实现,而由于粒子本身特性对散射光的影响具有一定的参考价值,从而使通过光学方式对机械位移的读出具有更高准确度.研究结果对于光学方式探测亚微米线机械振动具有指导意义.     

球形粒子相对折射率对散射光场强度最大峰值分布的影响

根据Mie散射理论,采用理论计算与实验对比的方法研究了球形粒子相对折射率对散射光场强度最大峰值分布的影响.发现,光强度的最大峰值所对应的散射角,随相对折射率实部的变化而变化(除散射角0°和180°),但并不随相对折射率虚部的变化而变化,也不随尺度参数的变化而变化.     

光在水中吸附膜层气泡上的散射特性

光在水中大尺度气泡上散射特性的研究多是基于Davis模型.该模型没有考虑到吸附膜层对光在气泡上散射的影响,而海水中的大多数气泡都有膜层附着,这些膜层会影响到气泡的光散射特性.本文从几何光学的角度出发,建立了吸附膜层气泡的体积散射函数简化公式.在此理论基础上,模拟计算了尺度远大于入射光波长的大气泡散射光强分布曲线,得出光照射下气泡上散射光强的远场特性,讨论了影响气泡散射光强分布的主要因素.并与无膜气泡光散射分布曲线比较,讨论了油膜膜厚、折射率等参量对气泡的光散射特性影响.得出结论:吸附膜层气泡的光强分布曲线与无膜气泡相似,但吸附膜层会削弱前向散射光,增强后向散射光.     

群体粒子场圆偏入射光侧向散射的角分布实验研究(英文)

对圆偏振光入射到群体粒子场时侧向散射光随角度分布的特性进行了实验研究,散射介质为直径0.065μm和1.24μm的粒子与过滤的蒸馏水所构成的不同浓度的悬浮液。实验结果表明,粒子侧向散射光的各种成分在探测平面内相对散射角度始终呈现对称分布的规律,而随着粒子尺寸、浓度、探测深度的变化,散射光强也相应出现变化,但变化不明显。     

超强激光在均匀等离子体中的背向拉曼散射放大机制

使用等离子体背向受激拉曼散射对激光进行放大时,等离子体的密度、温度和长度都会对激光的放大效果产生影响.为了探究等离子体密度对结果的影响,本文使用一维粒子模拟程序模拟了波长为800 nm的泵浦激光入射到均匀等离子体中,等离子体密度和泵浦光光强对散射光光谱的影响.模拟结果表明,等离子体密度降低会导致散射光的波长变短,而泵浦光的光强在一定范围内降低会增加散射光中背向散射光的比例.通过分析散射光的光强和等离子体的密度,发现前向拉曼散射是等离子体密度变化的原因.模拟结果对等离子体背向受激拉曼散射放大的实验研究具有重要的指导意义.     

基于Mie光散射理论的尾流气泡前向散射光特性研究

实验中利用CMOS图像传感器代替传统的光电探测器接受前向散射光,由几何光学和图像处理分析得出不同散射角的散射光与采集图像中的光环相对应.通过计算各个光环的所有像素值的总和就可以得到前向散射光光强的相对值,进而可以得出前向散射光光强变化规律.根据米氏（Mie）光散射理论可以计算出气泡各个方向的散射光光强,通过比较实验结果和Mie理论计算结果可以看出,采用CMOS图像传感器探测和图像处理技术可以准确地得出散射光强度的变化规律.     

用Mie氏散射理论测量聚苯乙烯微球的折射率

采用全Mie氏散射理论，计算单色平行光被该球粒散射后的光强图案分布.在实验上，把聚苯乙烯小球分散在纯净水中，使其浓度满足光的透过率为70%左右的条件，然后测量单色平行光通过该样品比色皿后的远场衍射图样的第一暗环角半径的数值大小.将该测得的角半径大小同上述采用全Mie氏散射理论计算的不同折射率下的散射光强角分布曲线图相比较，选出与测得的第一暗环角半径大小符合最好者，从而得到国家标准物质聚苯乙烯小球相对于分散剂纯净水的折射率大小，最后得到聚苯乙烯小球的折射率为1.6.本研究为该标准样品提供了一个重要光学参数.     

基于衍射层析理论的弱散射单颗粒粒径反演方法

衍射层析理论揭示了物体的散射场分布与物体的散射势之间存在傅里叶变换关系。基于衍射层析理论,提出一种反演未知折射率的浮游植物及其它弱散射颗粒粒径的方法。利用单波长、大角度范围内的散射光分布信息,通过傅里叶变换得到颗粒散射势的二次投影函数,进而获得颗粒粒径。进行数值仿真实验,并针对不同的测量角度范围、测量角度分辨率进行比较分析,结果表明:本文所开发的粒径反演算法可以通过测量大角度散射光分布,在适度噪声存在的情况下,准确反演与入射光波长相比拟的单个弱散射球形颗粒粒径。这一方法可用于测量未知折射率的浮游植物及其它微小颗粒粒径。     

Detection Theory of Polydispersities by Dynamic Light Scattering

ＤｅｔｅｃｔｉｏｎＴｈｅｏｒｙｏｆＰｏｌｙｄｉｓｐｅｒｓｉｔｉｅｓｂｙＤｙｎａｍｉｃＬｉｇｈｔＳｃａｔｅｒｉｎｇＺＨＡＮＧＹｉｘｉｎＺＨＵＴｏｕＺＨＡＮＧＪｉａｎｈｕａ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＷｕｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＬｉ...     

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(金、银、铜)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,在近红外区,这三种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.     

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.     

Au粒子在不同基质中Mie散射特性的研究

根据Mie散射理论,给出了金属粒子的散射、消光和吸收截面以及散射场强度的计算公式,并数值计算了在λ=r=1μm时,金属Au粒子在五种不同的基质中的散射截面和散射光强,结果表明基质折射率越大散射特性越强。     

球形雾霾粒子的紫外光散射偏振特性研究

在我国经济社会快速发展的同时,雾霾天气成为了突出的环境问题,雾霾粒子的测量非常重要。偏振紫外光与大气雾霾粒子发生散射后,散射光偏振状态(Stokes矢量以及偏振度)的改变能反映雾霾粒子的相关物理特性(粒径、复杂折射率等)。基于Mie散射理论建立了紫外光雾霾球形粒子直视和非直视单次散射模型,研究了单个球形粒子和链状结构球形粒子物理特性的改变对散射光偏振状态的影响,并用蒙特卡洛仿真分析已知粒径分布的雾霾粒子浓度对散射光偏振状态的影响。结果表明：针对单个球形粒子,随着粒子粒径的增大Stokes矢量中散射光光强(I_s)随之增强,粒子复折射率虚部为先增大后较小,偏振度也是在不断增大,且复折射率虚部较小时,偏振度增加趋势快;对于粒径分布不变的雾霾粒子,随着粒子的浓度增加,雾霾粒子的散射系数、消光系数和吸收系数均呈线性增加,但是I_s先增大后减小。针对链状球形粒子,随着粒子个数的增加,I_s均呈现增大的趋势,且偏振度可用于区分链状球形粒子是否由相同球形粒子组成; 相同球形粒子组成链状结构中,I_s随着粒子数量的增加而线性增大,偏振度不改变;不同球形粒子组成的链状结构,I_s以及偏振度的变化趋势可以区分粒子物理特性。     

基于几何光学的泡沫滴/水滴光散射计算模型

为深入研究舰船泡沫 水两用幕的光衰减机理,建立了基于几何光学的泡沫滴/水滴光散射强度分布计算模型。利用该模型对液相折射率m2为1.20至1.50范围内、气泡相对半径r为0至0.99的球状泡沫滴和水滴、散射角为1至10内的光散射强度进行了数值计算。结果表明,泡沫滴/水滴对可见光具有强烈的散射作用,内的散射强度与入射光强度之比T随的增大而提高,最高可增加2个数量级;随m2的增大而降低,m2从1.30至1.40变化,T降幅最高达11.6%;随r的增加先下降而后提高,达到最低0和最高80.8%;T最低值对应的最优气泡半径ro随m2的降低和的增大而提高,从0.1最多增至0.4。该结论可为舰船泡沫 水两用幕技术的发展提供必要的理论基础。     

Simultaneous determination of particle size and refractive index by time-resolved Mie scattering

With this numerical study we have investigated the pulse-induced and time-resolved Mie scattering with the aim of determining the size and the refractive index of transparent spherical particles simultaneously. The temporal interval between the scattering light signals of two different orders of scattered light allows only particle sizing. But if it is possible to detect three different orders of scattered light, then we have two independent time intervals. This situation is given if the detector has a position about θ=90°. With these scattering angle signals of reflection and refraction of 1st and 3rd order appear with approximately the same intensity. Then the numerical quotient of the two temporal intervals between these scattering orders is a function of the refractive index only. We have calculated these specific quotients by models of geometric optics for 1.1≤m≤1.6 and 75°≤θ≤90° and have seen that there is a very high agreement with the results of time-resolved Mie calculations.     

外混合气溶胶粒子光散射的等效性

以两种典型的气溶胶粒子组成的单分散和多分散处理混合气溶胶粒子系统的光散射的各效率因子，各散射截面和散射相函数分析了以等效折射率描述由具有不同折射率的各种粒子组成的混合气溶胶粒子系统的适用性，结果表明，对单分散系统，本不同的混合比下对于许多尺度参数吸收效率因子和散射相函数的等效性很差，对多分散系统，在不同的混合比下等效性较稳定但各散射光学量的余差很大，因而对多分散系外混合气溶胶粒子系统如使用等效折射