基于成像法的气溶胶粒形和散射分析仪

将散射法与显微成像法有机结合,提出了基于成像法设计气溶胶粒形和散射分析仪的新方案,实现了仪器测量的自身完善.利用自编的无限长圆柱理论的仿真程序,分析了线偏振光入射下,已知形状的单个棉絮纤维粒子的散射强度和偏振.实验数据和程序运算结果的比较表明,用该方法设计的分析仪检测是可靠的.     

大气气溶胶消光特性和折射率的测量

 介绍了一种综合利用能见度仪、微脉冲激光雷达和光学粒子计数器测量大气气溶胶折射率的新方法。首先使用能见度仪和激光雷达测量出大气气溶胶的消光系数和消光后向散射比,然后使用粒子计数器测量出粒子谱分布,结合气溶胶粒子折射率,根据球形粒子的米（Mie）散射理论,可以得到气溶胶消光系数和消光后向散射比。通过分析消光系数、消光后向散射比、粒子谱分布和折射率之间的关系,结合已知的消光系数和消光后向散射比,反演出大气气溶胶粒子的折射率。     

基于光热效应的显微光谱技术在单粒子检测中应用和发展

高灵敏度的单粒子检测技术是纳米粒子在生物医学、化学、光电子等领域应用的前提条件。常见的单粒子检测技术主要包括基于粒子的荧光、拉曼、散射和吸收等信号而发展起来的光学显微成像及光谱技术。其中,拉曼光谱和荧光光谱技术主要适用于一些具有拉曼活性的分子/粒子或可发光的荧光分子或粒子,然而即使对于荧光效率高的有机染料分子和半导体纳米粒子,固有的光漂白和blinking现象也对单粒子探测形成了挑战。散射光谱测量是应用于单粒子检测的另外一种方法,从理论上讲,由于瑞利散射随着尺寸的减小而呈六次方减弱的趋势,在细胞或生物组织内,小尺寸粒子的散射信号很难从背景散射噪声中分离出来。众所周知,介质吸收激发光后会引起介质内的折射率变化,进而在光加热区附近出现折射率的梯度分布,称为光热效应(photothermal effect)。基于粒子光热效应的光学显微成像和光谱测量技术具有信号灵敏度高、无背景散射、原位和免标记等优点,在单粒子检测领域展现了良好的应用潜力。综述了近年来基于光热效应的显微光谱技术在单粒子检测中应用和研究发展,首先介绍了光热效应的测量原理;接着分别讨论了光热透镜测量技术、微分干涉相差测量技术和光热外差测量技术的实验装置,比较了各种测量技术的信噪比、灵敏度、分辨率等特点,并且介绍这些测量技术在单粒子检测中的应用研究进展;接着,论述了近年来研究人员在提高光热显微测量的信噪比、改善动态测量性能以及在红外波段拓展等方面的最新研究成果;最后,简单总结了光热测量技术在单粒子检测领域所面临的挑战。     

随机取向六角形冰晶粒子的散射特性研究

利用离散偶极子近似方法研究卷云中随机取向六角形冰晶粒子的取向比对散射特性的影响,数值计算了在小尺度范围内随机取向六角形冰晶粒子的散射特征量,包括散射相函数、消光效率因子、不对称因子、单次散射反照率和线偏振度。研究表明:取向比对随机取向六角形冰晶粒子散射特征量的影响比较明显,并且此影响随着粒子尺度参数的变化而变化,与入射波长无关;相同尺度参量和不同取向比粒子的散射相函数的角分布曲线均有一个交点,并且随着粒子尺度参量的增加,交点所对应的散射角度值逐渐向小角度方向移动。此研究结果为气溶胶粒形检测和识别提供了理论依据。     

基于航空多角度偏振信息的近海海域非球形气溶胶光学厚度反演研究

基于T矩阵散射理论,以中分辨率成像光谱仪(MODIS)海洋气溶胶模型细模态M4和粗模态M9为例,模拟计算了不同纵横轴比椭球形状以及等概率纵横轴比椭球形状分布的非球形粒子单次散射特性。与球形粒子进行比较,发现非球形性对细模态粒子具有起偏作用,而对粗模态粒子具有退偏作用。利用机载大气多角度偏振辐射计(AMPR)的近海海域航飞遥感数据,进行了非球形粒子和球形粒子气溶胶光学厚度的反演实验。反演结果表明,基于非球形模式得到的气溶胶光学厚度与地面太阳辐射计(Cimel,CE318)测量结果一致性较好,相对均方误差在0.1以内。     

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.     

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．     

光学粒子计数器测量结果的订正

本文根据球形粒子的米(Mie)散射原理计算了光学粒子计数器的散射相函数和仪器响应曲线。根据被测粒子的折射率对测量结果做出订正。在研究大气气溶胶粒子尺寸谱变化规律时,这种订正是很重要的。文中举例说明了实际订正方法。     

气溶胶粒子散射和吸收特性对复折射率依赖性的数值研究

利用米散射理论数值计算分析了尺度参数为0.1~100时球形典型气溶胶粒子的散射和吸收特性对复折射率的依赖性关系。气溶胶粒子复折射率的实部和虚部是一个有机的整体,粒子复折射率的实部和虚部可以分别影响其散射和吸收特性。若实际大气气溶胶粒子大多是成核模态和积聚模态的小粒子,基于气溶胶的散射和吸收特性可以获得其复折射率的唯一解。但是,如果大气中存在大量的粗模态粒子时,气溶胶散射和吸收特性对其复折射率的依赖性较为复杂,只有选择有限的合适复折射率库区间,才有可能获得更合适的有效复折射率。     

激光在不同类型气溶胶中传输特性研究

激光在大气中的传输衰减特性是激光工程应用中需要考虑的一个重要问题.本文针对常用的1.06 μm和10.6μm激光,基于Mie散射理论计算了气溶胶粒子的单次散射参量;对于激光在气溶胶中多次散射传输衰减,建立了蒙特卡罗模拟计算模型,利用Matlab语言编制了相应的计算程序,计算分析了两种波长的激光分别在沙尘性、水溶性、海洋性和煤烟性四种不同类型气溶胶中透过率与传播距离、能见度的关系,并将蒙特卡罗方法和单次散射的计算结果进行了比较.结果表明,当能见度较低、气溶胶粒子反照率较高时,单次散射计算存在很大的误差,用蒙特卡罗方法更能揭示多重散射现象;煤烟性气溶胶对1.06 μm激光的传输衰减影响最大,沙尘性气溶胶对10.6 μm激光的传输衰减影响最大.     

基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像研究

偏振差分水下成像能够有效地克服光散射效应造成的图像退化问题, 在水下物体探测与识别领域具有重要应用价值. 传统的偏振差分方法靠光学检偏器的无规则机械转动来实现对散射背景的共模抑制, 限制了其在水下成像过程中的实时探测性能. 本文通过分析偏振差分探测原理来建立偏振差分成像模型, 从理论上提出了基于Stokes矢量的计算偏振差分水下实时成像系统, 并进行了实验验证. 研究结果表明, 基于Stokes矢量的计算偏振差分成像不仅与传统的偏振差分方法具有相同的水下探测效果, 更重要的是可以实现快速成像过程. 该方法可以应用到目前的偏振成像仪器系统, 实现无需人-机互动的自动化实时偏振差分水下成像, 进一步提高水下物体探测与识别的效率.     

Stokes vector determination of polarized light propagation in turbid medium

We report a two dimensional Stokes vector imaging technique for transamination measurements of the polarization state of scattering medium. Measurement of the depth resolved Stokes parameters allows determination of the degree of polarization, birefringence, retardation, optical activity and characterization of the medium. The polarized light preserved and degree of polarization very with scatterer concentration. The transmitted intensity patterns by varying a polarization state of the incident laser light (λ = 632.8 nm) and changing analyzer configuration provides a useful information about concentration, orientation, and shape of the sample under investigation. The results are important for the understanding of polarization phenomenon in turbid media, like biological tissues.     

A large‐solid‐angle X‐ray Raman scattering spectrometer at ID20 of the European Synchrotron Radiation Facility

An end‐station for X‐ray Raman scattering spectroscopy at beamline ID20 of the European Synchrotron Radiation Facility is described. This end‐station is dedicated to the study of shallow core electronic excitations using non‐resonant inelastic X‐ray scattering. The spectrometer has 72 spherically bent analyzer crystals arranged in six modular groups of 12 analyzer crystals each for a combined maximum flexibility and large solid angle of detection. Each of the six analyzer modules houses one pixelated area detector allowing for X‐ray Raman scattering based imaging and efficient separation of the desired signal from the sample and spurious scattering from the often used complicated sample environments. This new end‐station provides an unprecedented instrument for X‐ray Raman scattering, which is a spectroscopic tool of great interest for the study of low‐energy X‐ray absorption spectra in materials under in situ conditions, such as in operando batteries and fuel cells, in situ catalytic reactions, and extreme pressure and temperature conditions.     

三维海洋波导中散射目标快速声学远场成像

研究用声传播远场分布信息成像海洋波导环境中三维散射目标的反问题,提出一种指示器样本成像方法,在不需要预先知道散射目标的任何声学和几何特性的情况下,可以快速得到其位置、形状等几何信息的一个理想的像.数值试验表明,该方法对成像海洋波导中三维散射目标是有效的,即使在有限孔径测量方式和具有噪声测量数据时,也能够得到散射目标的一个理想成像,表明海洋波导边界的多重反射效应对成像效果具有一定的正面影响.     

纳米颗粒近场空间光谱散射建模与显微成像分析

用非直观偏振参数显微成像,即采用在传统显微光路中插入模式化装置,通过拟合过滤后对所得数据反演成像,通过对金属纳米颗粒在近场空间散射光谱分析,来解决空间散射现象。用非直观偏振参数显微成像与传统直观成像做对比,并通过时域有限差分法建模仿真,来描述近场直观与非直观散射光谱的差异,对比结果发现,非直观偏振参数显微反演成像的分辨率比直观成像更高,不但能够清晰的探测到纳米颗粒的形状和电场分布,而且比直观成像获得更广泛的空间散射光谱。     

Observation of small-angle contrast in refraction introscopy via full angular scanning

In this paper we describe experiments in an imaging scheme with two perfect crystals which demonstrate the possibility of using the full angular scanning of images by means of a crystal analyzer for separating absorption, refraction, and small-angle scattering in image formation. The possibility of determining the characteristics of heterogeneous objects using this method is discussed.     

检偏角对水中光脉冲后向散射特性的影响

水体自身对光脉冲有着较强的散射,这限制了水下目标探测的有效检测距离。利用偏振技术对近处水域散射信号进行抑制,有着极大的应用价值。实验探测和分析了探测系统检偏角不同时,水体对激光脉冲后向散射特性的影响。结果表明,检偏角不同时,光脉冲后向散射信号的前沿、后沿、脉宽、峰值、波形以及脉冲面积等特性都会发生变化;利用偏振技术可以有效地对近处水域的散射进行抑制。     

闪光照相中散射分布均匀性的影响因素

 为了在客体密度重建过程中采用迭代法扣除散射X射线的影响,提出了以散射分布均匀为主要目的的闪光照相系统设计思想。在介绍散射分布均匀性定义的基础上,分析了均匀扣除散射所带来的光程差。采用蒙特卡罗方法研究了系统放大倍数、照相距离以及后防护锥到图像接收系统的距离对散射分布均匀性的影响。结果表明：后防护锥到图像接收系统的距离是影响散射分布形状和散射照射量大小的一个主要因素;当后防护锥到图像接收系统的距离为55 cm左右时,散射分布均匀性近似最佳,而且照相距离越大,散射分布均匀性越好。这些研究结果可用于实际闪光照相系统的优化设计,在图像接收系统的响应范围内达到使散射分布均匀和降低光源模糊影响的目的。     

Polarized optical coherence imaging in turbid media by use of a Zeeman laser

A method that uses a Zeeman laser in conjunction with a Glan-Thompson analyzer to image an object in a turbid medium is proposed. A heterodyne signal is generated only when the scattering photons are partially polarized, and the spatial coherence is not seriously degraded after the signal propagates in the turbid medium. A system combining polarization discrimination with optical coherence detection to image the object in a scattering medium is successfully demonstrated. The medium is a solution of polystyrene microspheres measuring 1.072 mum in diameter suspended in distilled water contained in a 10-mm-thick quartz cuvette. The advantages of this optical system, including better selectivity of the weak partially polarized scattering photons and better imaging ability in higher-scattering media, are discussed.     

衍射增强计算机断层技术研究

对衍射增强计算机断层技术进行了分析研究，提出了一种新方法.应用该方法只需在摇摆曲线一点处对物体进行360°范围内旋转投影成像，即可获得物体的折射率梯度分布以及吸收系数与散射系数和分布.该方法较以前的方法，大大简化了实验步骤. 关键词： 同步辐射 衍射增强 计算机断层