大气折射对可见光波段辐射传输特性的影响

折射是影响辐射传输的重要因素. 为分析大气折射对辐射传输的影响, 基于Monte Carlo方法, 给出了考虑大气折射的矢量辐射传输模型, 实现了均匀气层和耦合面处光子随机运动过程的模拟, 实现了直射光及漫射光Stokes矢量、偏振度和辐射通量等参数的计算. 在考虑和不考虑大气折射两种条件下, 验证了模型的准确性; 在纯瑞利散射条件下, 讨论了大气折射对不同方向漫射光Stokes矢量的影响; 在不同太阳天顶角、大气廓线、气溶胶及含云大气条件下, 分析了大气折射对辐射传输过程的影响. 结果表明: 大气折射对漫射光Stokes矢量的影响主要体现在天顶角70°–110°区间, 且随着太阳入射角增大, 其影响更为显著; 不同大气廓线情形下, 大气折射对Stokes矢量的影响不一致, 其原因是不同大气廓线对应的折射率廓线存在差异. 含云及含气溶胶大气条件下, 大气折射对辐射传输的影响变弱, 沙尘型及海盐型气溶胶条件下, 折射对辐射传输的影响强于可溶型气溶胶情形; 不同形状气溶胶条件下, 大气折射对辐射传输的影响也存在显著差异; 不同云高条件下, 大气折射对漫射光Stokes矢量的影响无显著差异, 但随着云光学厚度增大, 大气折射的影响减弱.     

基于蒙特卡罗法研究海水中矿物质的光传输特性

为了研究多次散射效应下偏振光在含矿物质粒子海水中的传输特性,建立了一种基于蒙特卡罗法的矢量辐射传输模型.验证了模型准确性,并利用该模型研究了矿物质粒子复折射率、粒子群平均半径和入射光偏振状态对传输特性的影响.模拟仿真结果表明,不同类型矿物质粒子中,较小复折射率实部的粒子,传输特性对复折射率实部变化的敏感性较大;较大复折射率实部的粒子,传输特性对复折射率实部变化敏感性较小.粒子复折射率的虚部是影响光波传输特性的另一重要因素,粒子的吸收性越大,其传输效果越差.随着海水矿物质粒子群平均半径变大,光波透射率降低,反射率增大.圆偏振光与自然光在含矿物质粒子海水中的传输特性相对接近,在海水中,透射率最高的是垂直偏振光,最差的是圆偏振光;反射率最大的是自然光,最小的是水平偏振光.其中水平偏振光传输特性受入射光入射角影响较大.     

分振幅型全Stokes同时偏振成像系统波片相位延迟误差分析

分振幅型全Stokes同时偏振成像仪具有实时性好、空间分辨率高、精度高等优点,有很高的应用价值.分振幅型全Stokes同时偏振成像系统利用偏振分束器、1/2波片和1/4波片将入射光Stokes矢量调制在4幅图像中,可解析入射光Stokes矢量. 1/2波片和1/4波片的相位延迟误差对Stokes矢量测量精度有着不可忽略的影响.建立了包含上述两种误差的Stokes矢量测量误差方程,分析了1/2波片和1/4波片相位延迟耦合误差对自然光、0°/45°线偏光、左旋圆偏光等典型基态入射光的Stokes矢量测量误差的影响,推导了任意偏振态的Stokes矢量测量误差的表征方法.在邦加球球面和球内选取不同偏振度的Stokes矢量作为入射光进行仿真.结果表明, Stokes矢量测量误差和偏振度测量误差均随着入射光偏振度的增大而增大.选取入射光偏振度为1时的偏振测量精度评估系统.为满足2%的偏振测量精度, 1/2波片相位延迟误差应在±1.6°内, 1/4波片相位延迟误差应在±0.5°内.这对提高系统的偏振测量精度具有重要意义,为系统设计和研制提供了重要的理论指导.     

低太阳高度角条件下的天空偏振模式模拟及大气折射影响研究

为模拟低太阳高度角条件下的天空偏振模式,自主开发了考虑大气球形几何及大气折射效应的辐射传输模式VSPART,并将其运用于漫射光偏振特性仿真.在模式中,基于射线追踪法实现了光线传播轨迹的追踪和入射光偏振态及透过率的计算,基于矩阵算法实现了辐射传输方程的求解.将VSPART模拟结果与基准值、SPDISORT模拟值进行了比较,验证了模型的准确性.在瑞利散射大气和含气溶胶大气条件下,模拟并分析了漫射光偏振度及偏振方向的分布特征,讨论了大气球形几何及折射效应对天空偏振度的影响.结果表明,低太阳高度角条件下,随着波长增加,瑞利散射大气对应的偏振度整体随之增强,中性点向大天顶角方向移动;气溶胶的存在并不改变天空偏振度分布特征,但对偏振方向影响显著,随着光学厚度的增加,天空偏振度值迅速降低;中性点的偏移可能与低阶散射过程紧密相关;大气球形几何和折射效应的主要影响区域为地平线区域、两中性点附近及天顶区域;瑞利散射大气条件下,随着波长增加,大气球形几何及折射效应的影响逐步减弱,特别在中性点附近及天顶区域,其影响逐步消失;随着气溶胶光学厚度的增加,其影响随之增强.     

利用1/4波片调整左、右旋偏振光的理论研究

首先利用斯托克斯矢量法分析了一束自然光通过起偏器和 1/ 4波片后的偏振态 ,指出了出射光偏振态变化的原因 ,然后将起偏器和 1/ 4波片二者之一固定 ,转动另一器件来分析出射光的偏振态变化 ,找出了出射光是左旋偏振光还是右旋偏振光的分界点 ,并由此推导出了将左 (右 )旋偏振光调为右 (左 )旋偏振光的新方法     

卫星遥感中不同偏振量对气溶胶反演的影响分析

偏振探测是提高气溶胶卫星遥感能力的重要途径。作为目前全球重要的偏振数据源,我国高分五号卫星搭载的多角度偏振探测仪（DPC）能够测量不同的偏振量,包括Stokes矢量偏振分量、偏振辐亮度（L_ｐ）和线偏振度（DOLP）。各偏振量所包含的有效信息和测量误差不同,进而影响气溶胶参数的反演精度。针对此,在最优估计反演框架下,利用信号自由度（DFS）和后验误差定量化分析了各偏振量对气溶胶参数反演的影响,为后续DPC气溶胶算法开发提供参考。研究结果表明：Stokes矢量包含的信息量最高,其次是线偏振度和偏振辐亮度,相应的气溶胶总DFS分别为7.5,6.1和5.2;采用不包含偏振方向信息的L_P反演时,复折射指数虚部和粒子谱有效方差的信息量比采用Stokes矢量和DOLP反演时显著下降,表明这两个参数对偏振方向和测量误差敏感,增加偏振方向信息和降低测量误差能够有效提高这两个参数的可反演性;偏振方向的探测对提高气溶胶遥感能力有重要价值,采用L_P和DOLP反演时,气溶胶各参数的后验误差比采用Stokes矢量反演分别增加67.6%和65.5%,其中细模态体积柱浓度和粒子谱有效半径受到的影响最大;在全部气溶胶参数中,复折射指数实部后验误差最小,虚部的反演不确定性最大。总体来说,细模态气溶胶的三个参数（体积柱浓度、复折射指数实部和粒子谱分布有效半径）在三种偏振量反演情况下平均DFS均大于0.85,能够较好的通过DPC观测反演得到,而粗模态气溶胶反演与气溶胶类型有关,参数反演不确定性较大。     

海洋气溶胶多光谱偏振特性研究

为提高海洋气溶胶的反演精度,定量研究了气溶胶在可见近红外波段的多光谱偏振辐射特性。首先建立了合理的海洋气溶胶及海面模型,基于逐次散射法准确模拟了光在气溶胶中及大气—海洋交界面处的矢量辐射传输过程,接着从光谱角度定量分析了典型波段处的反射率和偏振反射率,在此基础上提出了海洋气溶胶偏振辐射的光谱分布模型,并用卫星数据对模型进行验证,最后研究了气溶胶光学厚度、观测角度、海水叶绿素a浓度和海面风速对气溶胶多光谱偏振辐射的影响。研究表明,在可见近红外波段不考虑大气吸收和耀斑效应时,气溶胶偏振辐射的光谱变化符合幂函数模型;在不同波段处,海洋气溶胶的偏振辐射受海水叶绿素a浓度和海面风速的影响不同;海洋气溶胶的多光谱偏振辐射信息有效体现了气溶胶的自身特性,且与反射率相比,偏振反射率随各因素的变化存在更明显的谱段差异性。因此,可以运用气溶胶的多光谱偏振信息反演海洋气溶胶参数,多光谱探测的加入对提高气溶胶反演精度具有重要意义。     

偏振光的χ矢量表示及应用

从Jones矢量的定义中引入了χ矢量,利用该矢量的定义给出了偏振光的χ矢量复平面表示,在该二维复平面上,确定了各个点与偏振光的态势相对应的关系.同时证明了与Jones矢阵的本征态有关的几个重要的结论:任何光学系统的Jones矩阵都有两个本征态;旋光介质的两个本征态是左旋和右旋圆偏振光;偏振器的本征态是两个正交的线偏振光;双折射介质的两个本征态是分别沿快、慢轴方向的线偏振光.     

四分束全Stokes同时偏振成像系统波片快轴装调误差的分析及优化

建立了包含1/2波片(HWP)和1/4波片(QWP)快轴装调误差的Stokes矢量测量误差方程。分析了波片快轴的装调误差对7种典型基态入射光的Stokes矢量测量精度的影响,推导了任意入射光Stokes矢量测量误差的表征方法。仿真结果表明,偏振度越大,偏振测量误差越大,选取入射光偏振度为1时的偏振测量精度评估系统性能。提出了一种波片快轴装调误差的优化方法,当测量矩阵的条件数小于1.84时,选取0.772/0.228的分束比可使波片快轴装调误差对系统偏振测量精度的影响最小。为满足2%的偏振测量精度,HWP的快轴装调误差应在±0.15°内,QWP的快轴装调误差应在±0.52°内。     

基于MATLAB的矢量光束聚焦光场仿真

偏振是光的基本属性之一,也是光学课程教学中的重点内容。但由于课时限制等原因,光学课程对于光的偏振介绍比较简单,内容也局限于老旧内容。随着光学的发展,矢量偏振光束由于其独特的特性已经被广泛的研究和应用,因此,在光学课程中引入偏振发展的前沿知识,有助于学生探索新的光学发展领域,从而激发他们的学习兴趣,为推动教研融合作出积极贡献。本文以矢量偏振光束通过高数值孔径物镜的衍射为例,基于矢量衍射理论和MATLAB模拟仿真展示偏振态对光场传播过程和聚焦光场的影响。首先根据矢量衍射理论推导了聚焦场分布积分表示;然后借助MATLAB仿真给出了矢量偏振光束入射情况下聚焦光场分布;最后通过与常见的线偏振光和圆偏振光对比,对矢量偏振光束聚焦场分布进行了分析和总结。     

Scattering of on-axis polarized Gaussian light beam by spheroidal water coating aerosol particle

Small particle light scattering can produce light with polarization characteristics different from those of the incident beam. An analytical solution to the scattering by a spheroid with inclusion for an on-axis polarized Gaussian beam incidence is provided within the generalized Lorenz-Mie theory framework. The shapes of the inclusion can be spherical, confocal spheroid, or non-confocal spheroid. The Muller scattering matrix elements are computed for plane wave incidence or Gaussian light beam incidence. The effect of the size and shape of the inclusion or the coating on the polarized Oaussian light scattering characteristics by a spheroidal water coating aerosol Darticle are commlted and a,nalvzed.     

Light scattering by coated Gaussian and aggregate particles

Light scattering by nonspherical and inhomogeneous small particles is studied by varying particle shapes, sizes, and compositions. We introduce an efficient tool for deforming particle shape and composition by adding a coating on an initial particle. This concave-hull transformation is applied to wavelength-scale Gaussian and aggregate particles, and the differences in the optical properties of the coated particles are compared to those of the uncoated geometries. The light-scattering computations are performed using the discrete-dipole approximation method which allows for internal inhomogeneity and irregular particle shapes. The results are analyzed concentrating on the intensity of the scattered light, the degree of linear polarization for unpolarized incident light, and the depolarization ratio. Polarization results yield the most significant differences and, moreover, coated aggregates are observed to produce net positive polarization, whereas it is negative for the Gaussian particles, also resembling the polarization of a spherical particle. As for the depolarization ratio, an intriguing double-lobe feature is observed near the backscattering direction for both particle geometries regardless of size, shape, and composition. The double-lobe maxima and minima generally coincide with those of the intensity and polarization.     

混浊介质中线偏振光和圆偏振光的后向漫散射特征

以标准的组织模型Intralipid脂肪乳溶液为研究对象,采用CCD偏振成像系统,通过测量该混浊介质的后向漫散射光的斯托克斯矢量,深入研究了不同方位的线偏振光及不同旋向的圆偏振光入射时,后向漫散射光的特征.研究结果表明：对不同的入射偏振态,后向漫散射强度、偏振度的空间分布具有方位选择性,强度和偏振度的大小随距离入射点的距离增加而减小;介质浓度增加,后向散射强度增加,偏振度减小,且同一浓度下,圆偏振光的偏振度总是高于线偏振光.     

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.     

Propagation of polarized light in opals: Amplitude and phase anisotropy

The interaction of linearly polarized light with photonic crystals based on bulk and thin-film synthetic opals is studied. Experimental transmission spectra and spectra showing the polarization state of light transmitted through opals are discussed. A change in polarization is found for waves experiencing Bragg diffraction from systems of crystallographic planes of the opal lattice. It is shown that the polarization plane of the incident linearly polarized wave at the exit from photonic crystals can be considerably rotated. In addition, incident linearly polarized light can be transformed to elliptically polarized light with the turned major axis of the polarization ellipse. Analysis of polarization states of transmitted light by using the transfer-matrix theory and homogenization theory revealed good agreement between calculated and experimental spectra.     

与入射线偏振光振动方向无关的低偏振度消偏器

消偏器是光纤传感器、光放大器等偏振敏感性光学系统中的关键器件,用于减小输入光的偏振度(DOP).设计了一种与入射线偏振光振动方向无关的低偏振度消偏器,该器件中利用人为的偏振相关延迟代替了保偏光纤的双折射,并在偏振相关型消偏器前增加了一个1/4波片,从而对任意方向振动的线偏振光具有相同的消偏能力,结构紧凑.对消偏性能随波片阶数、入射光中心波长和振动方向的变化作了数值计算.实验中采用半峰全宽为0.13 nm的光源,入射线偏振光在任意方向振动时,输出光偏振度小于2.6%,消偏器的插入损耗为0.6 dB,损耗起伏小于0.11 dB.实验和数值计算结果表明,该消偏器具有低偏振度、低插入损耗和适合于宽光谱应用的优点.