同轴数字全息技术在高速射流粒子测量中的应用

在高压加载下材料表面会产生微物质喷射，传统全息技术已应用在微物质喷射的测量中，获得包含粒子形状和位置信息的再现图像。数字全息技术作为传统全息技术的一种替代手段，直接采用CCD相机接收微喷射粒子的全息图像，再用数字方法重建粒子场，由于其避免了传统全息中干板的湿处理，并且不需要物理再现过程，具有实验过程简单方便、噪声小、实验结果直观、实时处理等优点。文中讨论了采用同轴数字全息技术测量微喷射粒子的实验情况，获得了铝飞片在爆轰加载下的微喷射粒子的数字全息图像和再现图像，给出了粒子的尺寸分布和微喷射粒子的速度。     

金纳米粒子光学性质中的尺寸和形状效应

纳米尺度的金属及半导体呈现出特殊的光学、电学及磁学性质,采用近年发展起来的离散偶极近似(DDA)的方法,我们分析了金纳米粒子的尺寸及形状对其光学性质的影响。粒子周围介质的影响在文中亦作了分析。计算结果显示,金纳米粒子的等离子体吸收带同时受到粒子尺寸和形状的影响,但来自形状的影响更为明显。与米氏理论及扩展的甘氏理论相比较,DDA方法在粒子尺寸不再远小于入射光波长的时候更准确,并能应用于任何形状的纳米粒子。理论计算与实验结果能较好的吻合。     

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.     

纳米颗粒材料表面形貌结构AFM表征中针尖干扰的修正与评价

原子力显微镜（ＡＦＭ）被广泛地用来进行纳米尺度和亚微米尺度结构材料的形貌表征,其优点是制样简单、无需进行导电处理,但会针尖与样品作用时,由于针尖自身的成像作用,导致得到的图像结果比实际结果要大,这就是针尖的放大效应,文章基于一种简单的数学模型,得到了对实测图像的修正结果,对于一般金字塔形针尖,ＡＦＭ的放大作用可导致粒子尺寸比真实尺寸大近２倍,实测图像的失真状况与针尖的形状因子、粒子的分散状态等因素     

随机取向气溶胶凝聚粒子光学特性研究

利用Cluster-cluster aggregation (CCA)模型,模拟了由64个球形原始微粒凝聚而成的四种随机取向气溶胶凝聚粒子。结合离散偶极子近似方法,分别得到了不同入射角和不同尺寸参数情况下气溶胶凝聚粒子的吸收、散射、消光效率因子和不对称因子的数值结果,并比较分析了四种形状气溶胶凝聚粒子吸收、散射、消光效率因子和不对称因子的差异。结果显示：对于相同数目原始微粒的气溶胶凝聚粒子,其光学特性明显依赖于入射光的入射角度和气溶胶凝聚粒子的形状;对于不同尺寸参数的气溶胶凝聚粒子,当入射光波长给定时,吸收、散射和消光效率因子最初随尺寸参数增大而快速增大,随后又随尺寸参数增大缓慢变小,但在尺寸参数变化过程中存在一个极大值;不对称因子则随尺寸参数的增大一直呈增大趋势,且随尺寸参数的增大趋近于1。     

随机取向气溶胶凝聚粒子光学特性研究北大核心CSCD

利用Cluster-cluster aggregation(CCA)模型,模拟了由64个球形原始微粒凝聚而成的四种随机取向气溶胶凝聚粒子.结合离散偶极子近似方法,分别得到了不同入射角和不同尺寸参数情况下气溶胶凝聚粒子的吸收、散射、消光效率因子和不对称因子的数值结果,并比较分析了四种形状气溶胶凝聚粒子吸收、散射、消光效率因子和不对称因子的差异.结果显示:对于相同数目原始微粒的气溶胶凝聚粒子,其光学特性明显依赖于入射光的入射角度和气溶胶凝聚粒子的形状;对于不同尺寸参数的气溶胶凝聚粒子,当入射光波长给定时,吸收、散射和消光效率因子最初随尺寸参数增大而快速增大,随后又随尺寸参数增大缓慢变小,但在尺寸参数变化过程中存在一个极大值;不对称因子则随尺寸参数的增大一直呈增大趋势,且随尺寸参数的增大趋近于1.     

数值模拟微米粒子的体全息记录与再现

体全息对小粒子记录及再现的影响关系到体全息材料在粒子场检测领域的应用前景,提出结合角谱传播理论与多光栅耦合波理论进行体全息图衍射分析的方法,并数值模拟了微米量级小粒子衍射光场的体全息记录与再现。数值分析结果表明体全息理论并不能像薄全息理论那样精确的再现出原始物光。其再现光场的角谱分布相对于原始光场存在高阶衰减,这使得再现光场成像后的图像边缘模糊,而且模糊程度还会随着粒子尺寸的下降逐渐上升。虽然这一现象为粒子边缘判读带来困难,但是再现图像的径向强度分布可为提高判断精度提供有益的参考。     

半导体粒子CdS的光学性质研究

采用DDA(discrete dipole approximation)方法对用于光催化制氢的半导体粒子的光学性质进行了研究,讨论了形状、尺寸等因素对放置在水中的CdS吸收效率的影响,选取的粒子形状有球形,圆柱形,正四面体,正三棱柱,长方体,正六角棱柱,发现粒子形状对局部表面等离子体共振峰的数目和共振波长有重要影响,而...     

应用于微细流场的全息荧光粒子图像三维测速系统

利用亚微米荧光示踪粒子的离焦微细观测时的衍射图样,可以分析确定荧光粒子垂直于图像平面的轴向的位置, 实现对示踪粒子的三维定位．再结合应用于二维流畅测速领域的PIV技术,可利用全息荧光粒子图像测速技术实现流体速度分布的三维测量。     

将粒子聚合成各种形状的新技术

 麻省理工学院(MassachusettsInstituteofTechnology)的研究者们开发出一种新的连续流技术,它能够很容易地合成大量具有神奇形状的聚合物粒子。这种聚合物粒子可用于构造光子晶体和生物材料的组件。帕特里克·道尔(PatrickDoyle)和他的同事们将能够在紫外光下聚合的材料塑造成几微米大小的糖果形状。当紫外光脉冲透过决定聚合物粒子横截面的遮片照射到材料上时,材料泵入微流设备的管道。产生的扁平聚合物粒子随流体流出,生产速度可达每小时40万个。     

封面说明

纳米粒子的尺寸与形状控制以及图案化是近年来国际上纳米科技领域的一个研究热点．最近发现了通过利用光的波长以及偏振方向可以控制溶液中形成的纳米粒子的尺寸和形状．我们利用超快激光实现了透明介质内部有空间选择性的纳米粒子的析出和控制．可以在一块无色透明的介质中通过激光照射和热处理，在透明介质中任何位置析出一定尺寸的纳米粒子，并且可以通过激光的二次照射将纳米粒子擦除．     

射流卷吸微米级结构的图像可视化研究

运用单帧单曝光图像法(SFSEI)对圆管射流的卷吸结构进行了图像可视化研究。单帧单曝光图像法不同于粒子图像测速法(PIV),它是采用相对较长的单次曝光进行拍摄以获得示踪粒子的运动轨迹。实验记录了从射流开始到观测区域内卷吸的形成过程。流场图像的空间大小为6.36 mm×3.97 mm,空间分辨率达到5.3μm×5.3μm。图像记录了射流卷吸产生的精细涡结构,其尺寸分布从几十微米到几百微米。本文的实验结果有助于理解射流的卷吸机理,也表明单帧单曝光图像法可以应用于观测微米级的流动结构。     

ZnO纳米粒子光学模多声子拉曼光谱的尺寸限制效应研究

观察到近均一尺寸的ZnO纳米粒子LO模多声子拉曼频率不随尺寸变化而改变.这为一阶LO模拉曼谱不随尺寸变化的实验结果提供了进一步的证据.参照相关实验工作,本文对ZnO这种极性纳米粒子光学模拉曼谱随尺寸变化而不变的物理根源进行了理论计算和讨论,并认为长程库仑相互作用是其根源.     

菱形金属纳米粒子光学性质的研究

金属纳米粒子的光学性质与金属纳米粒子的组成、形状、尺寸及周围的介电常数有关。利用时域有限差分法研究菱形纳米粒子的尺寸与其消光特性关系, 发现粒子尺寸的大小对其消光谱共振峰有较大影响, 随着粒子尺寸的增大, 消光谱共振峰可分裂成两个或多个共振峰。而且在可见光范围内波长大于480 nm的区域, 表面等离子体共振峰是偶极子激发模式; 而在波长小于480 nm的区域, 共振模式则比较复杂, 有偶极子模式, 也有多极子模式。计算表明, 波长为480~ 600 nm区间与波长大于600 nm的区间, 菱形纳米粒子的尺寸对消光光谱的峰值和谱线宽度影响不同。在波长为480~600 nm之间, 短轴为140 nm时, 其消光效率最高。     

部分状粒子处理方法及其对云微物理参数测量的影响

作为云微物理过程测量的重要利器,机载云降水粒子成像仪在云降水物理与人工影响天气研究中具有重要的作用.从采样结果来看,机载云降水粒子成像仪所测粒子图像中含有大量的粒子图像仅是粒子的一部分而已,即部分状粒子.因其数量较多,对该类粒子所选处理方法不同,会引起测量结果的很大差异.本文介绍并分析了现有部分状粒子处理方法的优劣,通过对部分状粒子的再定义与粒子形状分类,提出了一个融合粒子形状识别技术、"粒径重构"和"中心在内"方法的新的部分状粒子处理方法;利用实测数据,对所提方法与现有方法进行了云微物理参量处理结果的对比,发现本文所提方法与"粒径重构"方法处理结果比较一致,能较好地克服"整体在内"与"中心在内"两种方法存在的缺陷;同时,在针柱状粒子占比较多情形下,本文所提方法要比"粒径重构"方法处理后的结果相对合理.因此本文所提方法对仪器所测粒子数据处理具有更好的适应性.     

微射流粒子场的同轴Fraunhofer全息测试

由于激光全息技术进行物理测试时具有图像直观、信息量大、非接触测量、抗电磁干扰等优点，而受到人们的广泛关注。采用同轴Fraunhofer全息技术记录微射流粒子场的实验装置由激光器、爆轰实验装置、4F传像系统、记录系统、时问同步系统等组成。爆轰实验装置为一可抽真空的爆炸容器，其目的是为了产生一个微射流粒子场，实验研究中在铜飞片上打一些小坑，当冲击波到达时小坑中将能产生微射流；脉冲宽度为10ns的记录用激光器可以将直径为几十微米、运动速度为每秒几千米的微射流粒子场瞬间“冻结”，从而获得清晰的全息图像；通过调节DG535精密数字延迟脉冲发生器输出信号的延迟时间，控制脉冲激光器出光和爆轰实验装置爆炸的时间，从而达到产生运动粒子场和脉冲激光束到达时间的同步。通过同步调节延迟时间，可以获取同一空间不同时刻的粒子场信息。对拍摄的全息图经过线性处理后在连续YAG陪频激光器下再现，将再现获取的信息利用CCD相机储存在计算机上，对图片进行处理可以获取运动粒子场的分布、粒子的大小、粒子的质量等信息。     

动态微粒场双脉冲全息图再现像的分离技术

双脉全息图可应用于动态微粒场中粒子形状、尺寸、密度和速度等分布参数的测定。但由于两个脉冲时刻所拍摄的粒子像只能同时再现,不能判断粒子运动速度的方向,在运动情况较复杂时,粒子的“配对”也很困难。本文提出一种技术,可以分别再现两个脉冲时刻的粒子场图像,从而实现粒子速度方向的判定,同时减小了配对困难。     

亚微米TATB爆轰波剖面实验

用激光速度干涉技术测试炸药／窗口界面粒子速度，研究炸药的冲击起爆、爆轰反应区结构、爆轰驱动和炸药反应速率等。与普通颗粒TATB相比，亚微米TATB炸药对高压短脉冲敏感，在钝感起爆器中有应用价值。文中用VISAR技术，测试亚微米TATB在短脉冲加载下的炸药／窗口界面粒子速度，对亚微米TATB的反应区结构进行了探讨。亚微米TATB是通过重结晶-气流粉碎的方法制备的，平均颗粒度0．58μm。     

随机取向椭球粒子的吸收特性

用Ｔ矩阵方法计算了折射率虚部的范围在０．００１至０．１的几种椭球粒子随机取向时在几种等效尺度参数下的光散射与吸收特性，并与等效的球形粒子的光散射结果进行了比较。分析结果表明：椭球粒子的吸收特性与等效的球形粒子的吸收特性存在着差别，这种差别随粒子的形状、尺度和折射率而改变，考虑到目前气溶胶粒子复折射率虚部的测量精度，以等效的球体粒子处理非球形粒子的吸收不会带来显著的误差。     

利用Ag@SiO_2纳米粒子等离子体共振增强发光二极管辐射功率的数值研究

金属纳米粒子利用其局域表面等离子体共振效应(LSPR),可以增强附近荧光分子的自发辐射速率,因而在光学传感、光电器件等领域中具有潜在的应用价值.金属纳米粒子的LSPR与其自身的材料、形状、尺寸以及周围环境介质密切相关,这影响着纳米粒子在具体器件中的应用.本文利用三维时域有限差分法,研究了相同体积的球形、椭球形、立方形与三棱柱形银纳米粒子对薄膜发光二极管辐射功率的影响;计算了不同形状银纳米粒子对偶极子光源辐射功率和薄膜器件光出射强度的增强,并结合LSPR效应讨论了辐射功率变化的物理机理.研究结果表明:银纳米粒子自身形状尖锐程度的增加有利于提高LSPR的共振强度;同时纳米粒子的形状影响了LSPR共振电场与薄膜器件中偶极子辐射电场之间的耦合作用,其中立方形纳米粒子因为能实现最强的耦合作用而对器件的辐射功率增强最大.在此基础上进一步讨论了不同薄膜材料对LSPR共振及光源辐射功率的影响,发现较高的材料折射率有利于增强金属纳米粒子的LSPR与器件的耦合作用,从而改善发光二极管性能.