利用T矩阵模型计算水体中非球形悬浮颗粒物光散射特性

水体中悬浮颗粒物的光散射特性是影响基于直接光谱法水质检测结果准确性的一个重要参数。依据T矩阵模型,研究了紫外-可见光照射下水体中非球形悬浮颗粒物的光散射强度特性。以藻类和泥沙类颗粒物为例,构造了椭球、圆柱和广义Chebyshev三种非球形粒子光散射模型,分析了入射光波长、悬浮颗粒物形状、复折射率与相对散射光强之间的关系,计算了不同悬浮颗粒物相对散射光强随波长、颗粒物尺寸以及旋转角变化的情况。数值仿真结果表明,不同种类非球形悬浮颗粒物的散射光强度均呈现出显著的变化。在200~800nm波长范围内,随入射波长的增大,粒子几何尺寸所带来影响逐渐减小,散射特性主要由复折射率决定。当粒子尺寸小于0.2μm或接近1μm时,在入射光波长位于紫外或红外的条件下,散射光强度较大且呈现强烈振荡;而当粒子尺寸r=0.3~0.9μm,散射强度较稳定,接近于0且受到入射光波长的干扰较小。这可为提高紫外-可见吸收光谱法的检测精度、抑制散射干扰提供一定依据。     

椭圆截面非球形颗粒群的多重光散射

尽管非球形下一些特殊形状颗粒的单散射已被得到,球形多颗粒系（颗粒群）的多重散射也被研究,但至今仍未得到非球形颗粒群的多重散射.文中建立了一类椭圆截面非球形颗粒模型,求得其散射相位函数,借助于辐射传播方程,考虑形状及大小分布,得到了该类颗粒群的多重光散射.在两种特例情况下的结果能与已有的结果符合较好,说明了方法的可靠性.计算分析表明：非球形颗粒群的多重散射光强角分布要比球形颗粒平坦.椭圆截面颗粒的粒度或形状参数越大,多重散射光越集中于小的散射角;粒度分布或形状分布越宽,多重散射光强的角分布越平坦.随着光学厚 关键词： 多重光散射 颗粒 非球形 椭圆截面     

非球形烟尘粒子后向散射场的光谱分析

在利用后向散射法测量烟尘浓度和粒径的过程中,对烟尘粒子模型的后向散射光谱特性进了计算,确定影响后向散射光谱强度的主要因素并进行分析。对实际排放的烟尘进行显微观察表明,利用椭球、圆柱和广义切比雪夫3种非球模型可以较好地模拟烟尘粒子,其等效直径约1μm。通过"T矩阵法"对这3种非球形粒子模型后向散射场的光谱特性进行了分析,结果表明:非球形粒子的可见/红外波段后向散射现象较球形粒子明显,特别是广义切比雪夫粒子的后向散射光强最高可达到前向的3.5倍;对于吸收性非球形粒子(复折射率m=1.57-0.56i),后向散射光强远大于非吸收性非球形粒子(复折射率m=1.57-0.001i);随着粒子等效半径的增大,光源波长也应随之增加。这为在实际测量时光源及方位的选择提供了理论依据。     

气溶胶激光散射信号的特征分析

本文应用Mie散射理论对微球体粒子光散射的性质进行了理论分析与数值计算,得出了散射光分布与微球体尺度参数、复折射率之间的关系。结果表明:不同尺度参数的粒子的散射光强的分布相差极大,随着尺度参数的增加散射光强越来越集中于前向;复折射率的变化对散射光强影响不大。并且在边界层大陆乡村型霾的气溶胶模型下对大气气溶胶的体角散射系数进行了分析与数值计算,得出:气溶胶粒子的散射光强主要分布在前向,并且随着散射角的增加有规律的减小。由此提出了利用气溶胶粒子体散射系数的性质,通过测量散射点前向散射光强和延迟时间来实现激光束的近轴定位的方法。     

非球形气溶胶粒子散射相函数经验公式

散射相函数是研究电磁波传输特性的重要参数，直接影响电磁波传输方程的简化程度和解的精度。基于电磁散射与辐射传输中的基本理论，对非球形粒子散射相函数的经验公式进行了研究。为了很好的模拟非球形粒子的后向散射峰值，提高辐射传输方程的简化程度和解的精度，提出了一种新的相函数经验公式。分析新的相函数对非球形粒子的适用性，以单个沙尘性气溶胶为例，计算了不同形状粒子的Henyey-Greenstein*相函数和新的相函数随角度的变化，并与T矩阵法的计算结果进行了对比，发现椭球形粒子的长短轴比和有限长圆柱形粒子的径长比大于0.5时，新的相函数在大角度后向散射部分与T矩阵法的吻合程度较高。考虑波长变化，对比了尺寸谱满足对数正态分布的四种气溶胶粒子的Henyey-Greenstein*相函数和新的相函数与T矩阵法的计算结果。研究表明，对于椭球形粒子和有限长圆柱形粒子，在大角度(大于90°)后向散射部分，除了0.694时的椭球形海洋性气溶胶，新的相函数均方根差较小的占100%，证明了新的相函数可以较好的模拟非球形粒子的后向散射特征。新的相函数对准确模拟辐射传输过程具有重要意义。     

椭球模型下通过雾场的多重光散射谱

由于雾滴的非球形、多重散射特性以及几何光学效应,光通过实际雾场的散射问题成为一个研究难点. 建立了近于实际的椭球雾滴模型,考虑光的衍射、透射及反射特性后,利用辐射传播方程得到了在不同的雾滴大小分布 及不同的雾滴形状分布下通过雾场的多重散射光强公式.在两种特例下与已有的结果较为相符,说明了方法的可靠性. 计算表明:与随机取向的非球形颗粒场的散射谱呈圆形特征不同,通过椭球形雾滴场的散射谱呈椭圆特征, 不同方位角的散射光强角分布有所差异,雾滴的形状因子越接近于1,差异越小;与单散射不同, 散射谱中的条纹随光学厚度增大逐步消失;对于不同大小分布及不同形状分布的雾滴场, 在不同方位角及不同观察角的散射光强随光学厚度τ的增加总是先增大再减小,光强的极大值位置在τ = 1.0---3.0 范围内.计算同时还表明,由于多数情况下实际雾场的雾滴大小偏差较大, 因而通过雾场的散射谱将呈现以中央亮斑为中心向四周弥散的图样.     

偏振光在非球形气溶胶中传输特性的Monte Carlo仿真

非球形气溶胶是影响辐射传输的重要因素. 系统给出了矢量辐射传输Monte Carlo模型, 并验证了其准确度; 考虑入射光偏振态, 讨论了不同方向漫射光Stokes矢量对气溶胶形状的敏感性; 分析了气溶胶形状、入射光偏振状态对光波退偏振度、透过率及反射率的影响. 模拟仿真结果表明, 对于不同偏振态的入射光, 不同方向的Stokes矢量对气溶胶形状变化的灵敏程度并不一致, 而在天顶角0°方向区域,Q, U及V分量对形状的灵敏程度普遍不高; 气溶胶形状对反射漫射光退偏程度的影响强于透射漫射光, 入射光偏振态不同, 漫射光退偏程度也存在较大差异. 气溶胶形状对光波整体透过率与反射率影响显著, 且该影响随传播距离增大而增大; 入射光偏振态对透过率与反射率影响相对较小, 与自然光相比, 水平偏振光透过率略偏小, 反射率略偏大, 垂直偏振光反之, 圆偏振光与自然光的模拟结果相当.     

大气颗粒物近前向光散射特性研究EI北大核心CSCD

为了考察大气颗粒物近前向光散射特性及其在粉尘质量浓度测量中的应用,建立了大气颗粒物近前向散射光测量实验装置,通过单分散和多分散颗粒物样本的实验测量和基于米散射理论的颗粒物光散射计算,得到颗粒物近前向散射光强度与粒径及分布宽度的关系,结果表明该装置可用于测量环境大气气溶胶质量浓度。通过已知参数的单分散气溶胶样品测量,借助米散射理论计算,可以获得较为准确的响应度数值,并估计测量实际大气颗粒物的误差范围。采用亚利桑那超细标准粉尘进行质量浓度定标,测量城区自然环境颗粒物的粉尘质量浓度,需要约2.5倍的修正。     

大气颗粒物近前向光散射特性研究

为了考察大气颗粒物近前向光散射特性及其在粉尘质量浓度测量中的应用,建立了大气颗粒物近前向散射光测量实验装置,通过单分散和多分散颗粒物样本的实验测量和基于米散射理论的颗粒物光散射计算,得到颗粒物近前向散射光强度与粒径及分布宽度的关系,结果表明该装置可用于测量环境大气气溶胶质量浓度。通过已知参数的单分散气溶胶样品测量,借助米散射理论计算,可以获得较为准确的响应度数值,并估计测量实际大气颗粒物的误差范围。采用亚利桑那超细标准粉尘进行质量浓度定标,测量城区自然环境颗粒物的粉尘质量浓度,需要约2.5倍的修正。     

非球形生物气溶胶对偏振光的多次散射特性研究

基于回转椭球模型和有限长圆柱模型,采用T矩阵方法研究了非球形生物气溶胶的单次散射特性,计算了鼠疫耶尔森氏杆菌、土拉热杆菌二种生物气溶胶对氦氖激光的单次相矩阵、单次散射反照率以及不对称因子。根据矢量辐射传输理论,研究了激光在生物气溶胶中传输的偏振散射特性,基于累加-倍加法(adding-doubling method)求解矢量辐射传输方程,并计算了非球形生物气溶胶对激光多次散射的斯托克斯参量。计算结果表明,生物气溶胶的尺寸和形状对光的极化更为敏感,因此在利用激光进行生物气溶胶微观特性探测和反演时,利用激光的偏振散射特性为非常有效的方法。     

Influence of surface roughness on the elastic-light scattering patterns of micron-sized aerosol particles

The relation between the surface roughness of aerosol particles and the appearance of island-like features in their angle-resolved elastic-light scattering patterns is investigated both experimentally and with numerical simulation. Elastic scattering patterns of polystyrene spheres, Bacillus subtilis spores and cells, and NaCl crystals are measured and statistical properties of the island-like intensity features in their patterns are presented. The island-like features for each class of particle are found to be similar; however, principal-component analysis applied to extracted features is able to differentiate between some of the particle classes. Numerically calculated scattering patterns of Chebyshev particles and aggregates of spheres are analyzed and show qualitative agreement with experimental results.     

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．     

Simultaneous forward- and backward-hemisphere elastic-light-scattering patterns of respirable-size aerosols

Two-dimensional angular optical scattering (TAOS) patterns of aerosols are measured simultaneously from the forward hemisphere 15 degrees < theta < 90 degrees as well as the backward hemisphere 90 degrees < theta < 165 degrees (detecting 63% of the 4pi sr of scattered light) by using an ellipsoidal reflector and an intensified CCD detector. TAOS patterns were obtained from polystyrene-latex spheres (individuals and aggregates) and from single Bacillus subtilis spores. These information-rich patterns, measured with a single laser pulse for individual particles on the fly, suggest that forward-TAOS and backward-TAOS measurements may be used for rapid classification of single aerosol particles.     

沙尘气溶胶粒子群的散射和偏振特性

根据Mie散射理论,以对数正态分布函数描述沙尘气溶胶粒子群的粒径尺度分布,计算了沙尘气溶胶粒子群在0.2～40μm波段间对太阳短波辐射和地球大气长波辐射的单次散射反照率、散射相矩阵函数,揭示了不同相对湿度时,沙尘粒子群对入射辐射的散射和偏振的特征。结果表明,沙尘粒子群的单次散射反照率随着入射波长的增加有较大起伏,不同相对湿度条件下,变化趋势基本一致;在可见光、近红外波段单次散射反照率随湿度增加而变大,湿度95%时非常接近于1;大于10μm的热红外波段单次散射反照率随相对湿度增加而减小,具有较强的吸收辐射能力。散射辐射强度受湿度影响较小,随散射角的增加呈现先减小后增大的趋势,且增大的趋势随着波长的增加而减弱;不同波段上,线偏振和圆偏振随散射角和相对湿度变化存在差异;在前向和后向仅对入射辐射为圆偏振辐射产生圆偏振散射;散射光的偏振特性及其湿度差异主要表现在后向散射区,多以拱形形式体现。拱顶峰值散射角位置存在差异,且峰值散射角随相对湿度的降低向后向漂移。     

Theoretical studies on particle shape classification based on simultaneous small forward angle light scattering and aerodynamic sizing

Particle shape contributes to understanding the physical and chemical processes of the atmosphere and better ascertaining the origins and chemical compositions of the particles. The particle shape can be classified by the aspect ratio,which can be estimated through the asymmetry factor measured with angularly resolved light scattering. An experimental method of obtaining the asymmetry factor based on simultaneous small forward angle light scattering and aerodynamic size measurements is described briefly. The near forward scattering intensity signals of three detectors in the azimuthal angles at 120?offset are calculated using the methods of T-matrix and discrete dipole approximation. Prolate spheroid particles with different aspect ratios are used as the shape models with the assumption that the symmetry axis is parallel to the flow axis and perpendicular to the incident light. The relations between the asymmetry factor and the optical size and aerodynamic size at various equivalent sizes, refractive indices, and mass densities are discussed in this paper. The numerically calculated results indicate that an elongated particle may be classified at diameter larger than 1.0 μm, and may not be distinguished from a sphere at diameter less than 0.5 μm. It is estimated that the lowest detected aspect ratio is around 1.5:1 in consideration of the experimental errors.     

Light scattering from colloids

This paper presents a review of light scattering results on static and dynamic properties of ordered colloidal suspensions of charged polystyrene particles and fractal colloidal aggregates. Our studies on static structure factor,S(Q), of ordered monodisperse colloidal suspensions and binary mixtures of particles with different particle diameters, measured by angle-resolved Rayleigh scattering will be discussed. This will include determination of bulk modulus using gravitational compression and observation of colloidal glass (inferred from splitting of the second peak inS(Q)). Dynamic light scattering, with real time analysis of scattered intensity fluctuations, is used to get information about Brownian dynamics of the particles. Recent advances in the field of light scattering from colloidal aggregates which show fractal geometry will also be discussed.     

TiO2微粒对远程荧光粉膜及白光发光二极管器件光色性能的影响

利用热压法将TiO₂微粒掺入至YAG:Ce荧光粉和硅树脂中制备出远程荧光粉膜并封装成白光发光二极管(LED)器件, 通过荧光粉相对亮度仪、双积分球测试系统和可见光光谱分析系统对样品的光色性能及机理进行了研究. 结果表明: TiO₂的散射效应能够显著提高蓝光的利用率和黄光的透射强度, 白光LED器件的光通量在TiO₂浓度为0.966 g/cm³ 时达到最高值415.28 lm(@300 mA, 9.3 V), 提高了8.15%, 相关色温从冷白6900 K逐渐变化至暖白3832 K. TiO₂的掺入不仅提高了远程荧光粉膜的发射强度和白光LED器件的光通量, 同时能调控其相关色温.     

光源的偏振态对动态光散射颗粒测量结果的影响

研究了在动态光散射纳米颗粒测量中,光源的偏振态对测量结果的影响。采用了粒径为100nm、体积浓度为0.5%的标准颗粒作为样品,使He-Ne激光通过起偏器得到0°～180°方向的偏振光,测量了散射光强、偏振度和粒径测量值的变化,计算了相应的粒径均值偏差和标准差,并将这一结果与无偏振He-Ne激光入射进行了比较。结果表明,当入射光为线偏振光时,偏振方向垂直于散射面时测量效果最好;另一方面,由于颗粒系散射迭加造成的散射光偏振度降低,使线偏振光源与无偏振光源产生的散射光偏振度无明显差别,证明在测量中可以使用无偏振He-Ne激光代替。