生物组织光传输的系统模型及应用

以辐射传输方程为基础,讨论了生物组织光传输问题的线性空间平移不变性,同时建立了层状生物组织光传输问题的系统理论及相应的计算模型.与Monte Carlo方法的对比计算表明：该模型在保证结果准确性的前提下,可极大地提高生物组织光传输问题的计算效率.在此基础上,将该模型应用于层状生物组织内会聚光传输问题的理论计算,讨论了光源会聚角对生物组织内光场分布的影响.     

两层生物组织光学特性参数无损测量的模拟研究

生物组织的光学特性参数是与疾病的无损光诊断有关的重要的光学参数，一般的测量所应用的模型是假设生物组织为半无限厚的均匀结构。为了更能反映生物组织的真实特性，本文应用两层结构模型，即假设第一层为有限厚的均匀组织，第二层为半无限厚，由漫射方程经过傅立叶变换得到传输方程的漫射解。为检验漫射解的准确性，将漫射解的表面漫射光分布与Monte Carlo模拟结果进行了比较，结果表明两者符合得很好。为了研究由漫射解是否可以获得两层组织的光学特性参数，将漫射解与Monte Carlo模拟数据进行了非线性拟合，反演获得组织的光学特性参数，结果表明，由漫射解可以获得两层组织的有效散射系数和吸收系数。     

光在分层散射介质中传输行为的蒙特卡罗模拟研究

建立了光在发层散射介质中传输行为的蒙特卡罗模型,计算了皮肢层状结构的光传输特性,考虑联折射率不匹配带来的影响及不同光束特性（如均匀分布平面光场、高斯光束、光纤光束）对传输行为的影响,分析了分界面处光通量的传输特性,给出了不同特性光束的生物组织的表面漫射率曲线,比较了高斯光束和平面光场的卷积结果。     

Monte Carlo方法模拟光在生物组织中传播的新进展

Monte Carlo方法已被广泛用于模拟复杂的随机介质如生物组织中光的辐射传输.在生物光子应用中,早期的Monte Carlo模拟模型忽略了光在组织中传输的波动性,而用中性粒子光子包来模拟其传播过程.然而,许多光学诊断技术是基于光在组织中的偏振效应和多重散射的相干性来揭示组织的生理和病理信息,这就要涉及光辐射的波动性.本文阐述了用Monte Carlo方法模拟光在生物组织中传播的最新进展.     

面光源对人肺组织中光能分布的影响

用Monte Carlo方法仿真了两种面光源(高斯光束和圆平面光束)在人肺组织中的传播,讨论了不同面光源以及不同大小的光束入射到该组织时,其光能流率和漫反射强度的分布情况.结果表明激光光斑形状和大小的选择对激光的临床应用将有很大影响.     

部分相干啁啾光学相干涡旋晶格在生物组织湍流中的平均光强与光谱位移

本文研究了部分相干啁啾光学相干涡旋晶格在生物组织湍流中的平均光强和光谱位移,详细探讨了单色光场中的光学晶格结构和多色光场中的光谱快速跃迁特性.研究表明:在生物组织湍流中,光束从具有涡旋核的环形结构演变为具有暗区的周期阵列结构,最后呈类高斯图样.尽管晶格常数能调制光束结构,但它不影响光束在生物组织湍流中的光谱跃迁行为.光...     

一种新空心光束的理论及实验研究

提出了一种用来描述空心光束的新理论模型——空心高斯光束模型，通过控制光束参数可以方便地调制空心光束黑斑的大小.导出了空心高斯光束经傍轴光学系统的解析传输变换公式.利用导出的公式计算分析了空心高斯光束在自由空间的传输特性.在实验上利用矩阵本征值方法设计了能输出空心高斯光束的光学谐振腔，对实验上得到的空心高斯光束进行了传输特性的研究.结果表明，理论和实验相吻合.该空心高斯光束产生的光势阱为控制冷原子提供了一条新途径. 关键词： 空心高斯光束 光学谐振腔 传输特性     

非傍轴矢量高斯光束的圆屏衍射

利用矢量瑞利衍射积分公式，推导出非傍轴矢量高斯光束圆屏衍射的解析表示式.非傍轴矢量高斯光束圆屏衍射的轴上场分布、远场表示式、自由空间中的传输公式，以及傍轴近似下高斯光束圆屏衍射的菲涅耳和夫琅禾费衍射公式可以作为一般公式的特例统一处理.数 值计算和比较实例说明了非傍轴矢量高斯光束的光强分布和远场特性.分析表明，在圆屏衍 射中，f参数和截断参数决定光束的非傍轴行为. 关键词： 传输光学 非傍轴矢量高斯光束 圆屏衍射 矢量瑞利衍射积分公式     

双曲余弦高斯光束在强非局域介质中的传输

从描述强非局域介质中光束传输的非线性薛定谔方程出发,研究了(2+1)维双曲余弦高斯光束在强非局域介质中的传输性质及其相互作用,给出了双曲余弦高斯光束在强非局域非线性介质中传输的解析表达式和二阶矩束宽的解析表达式,同时对两束双曲余弦高斯光束之间的相互作用进行了解析和数值分析。结果表明单光束入射强非局域介质时,存在一个临界功率,当入射功率等于临界功率时,光束在传输过程中的二阶矩束宽可以保持不变;当入射功率不等于临界功率时,光束的二阶矩束宽呈周期性变化。两束双曲余弦高斯光束共同传输时会相互吸引,并且横向强度分布变的较为复杂,给出了两束光传输时相互作用后的强度分布和轴上光强演化等结果。     

光在多层匹配生物组织中的时域传输模型

建立了匹配介质的n层半无限厚频域方程的解,并对频域进行傅里叶变换,计算出时域方程的时间分辨漫反射（Time-resolved Reflectance）.为检验漫射模型的准确性,将时间分辨漫反射与蒙特卡罗（Monte Carlo）模拟结果进行了比较,结果表明两者符合得很好.研究表明：该时域漫射模型可以判断生物组织和病变的光学特性.     

光束质量标准中传输方程的研究

 讨论了传输方程在ISO光束质量标准中的重要性，给出了光束传输方程的一种证明方法，在近轴条件下，非高斯光束都满足传输方程，这为选用理想高斯光束作为光束质量的度量基准奠定了基础。     

聚焦光束在半无限大生物组织内传播的Monte Carlo模拟

分析了聚焦光束在介质中的传播情况,利用VC++语言编制了一套平圆光束聚焦在半无限大生物组织内传播的Monte Carlo模拟程序,对几种不同参数值的情况进行了模拟,通过对模拟结果的分析,得出了平圆光束聚焦在半无限大生物组织内传播的规律。     

椭圆高斯光束在强非局域非线性介质中的传输特性

研究了傍轴椭圆高斯光束在强非局域非线性介质中的传输特性，得到了其各参量的演化方程 及其精确解析解.通过对束宽演化方程及其精确解析解的进一步分析，发现傍轴椭圆高斯光 束在强非局域非线性介质中传输时，两横向方向束宽作周期性变化.不管初始功率为多大， 光束都将周期性的由椭圆高斯光束演化为圆对称高斯光束，再由圆对称高斯光束演化为椭圆 高斯光束；并且在演化的过程中，椭圆的半长轴和半短轴会作周期性交替变化.另外，在一 定初始功率下，傍轴椭圆高斯光束可以保持某一横向方向的束宽不变，得到光孤子. 关键词： 强非局域非线性介质 非局域非线性薛定谔方程 椭圆高斯光束 参量演化方程 空间孤子     

牙齿组织光学穿透深度有限元仿真分析

利用有限元方法对光在二维牙齿双层有限尺寸模型中传输的扩散方程进行求解,获取了光能在组织体内部的分布情况,并对牙釉质和牙本质在不同光学参量模型下的光学穿透深度进行仿真分析.结果发现,穿透深度随牙釉质散射系数的增大而减小,随牙本质的散射系数增大而增大.但牙釉质的穿透深度随散射系数的变化率（βe=0.007 97）要远远大于牙本质（βd=0.000 828）.采用Monte Carlo随机统计方法验证了本文有限元求解扩散方程的正确性.     

具有振幅调制的光学格子中光束的演化研究

利用变分原理和数值模拟的方法研究了光束在光传输方向的横截面上存在着具有振幅调制的光学格子时的演化,得到了光束宽度、振幅、光束的波阵面曲率随传播距离的演化形式.通过将光束的传输类比于粒子的运动,发现光束参量的条件存在三个区域,在不同的区域光束将在光格子的调制下有不同的传输形式,光格子振幅调制系数在各个区域起到了重要作用.光学格子中周期格子的作用有类似非线性的很好的特性,周期格子的引入提供了更好地控制格子孤子形成和传输的参考条件.     

一维光学格子孤子的传输特性及控制研究

利用解析和数值方法研究了在具有横向折射率周期性调制的克尔型非线性介质中光学格子孤子的传输，得到了孤子参数的演化方程以及格子孤子的形成和稳定传输的条件.结果表明：当光束的入射角小于某临界角度时，光束可被类似波导形式的路径俘获而稳定传输，该临界角随折射率调制周期、调制深度的增加而增大，且光束越窄临界值越大.此外，线性空间啁啾虽然对光束传输的中心位置没有任何影响，但会导致光束发散从而破坏格子孤子的形成和稳定传输，对此提出了采用特定功率取值来补偿啁啾作用从而形成格子孤子的方案. 关键词： 光孤子 光学格子 光传输 矩方法     

生物组织中激光传输规律的模拟与检验

本文研究了激光在生物组织中的传输规律,建立了适用于Monte Carlo模拟的数理模型。对不同组织中光子的传输规律进行了模拟和检验,结果表明:利用本文所建立的模型和编制的程序,可以有效地模拟激光在均匀和非均匀组织中的传输规律,并可获取组织光学特性参数与漫反射率、漫透射率和通量等物理量间的关系。     

漫射近似在测量生物组织光学性质中的适用范围

漫射近似理论经常被用来作为测量生物组织光学特性参数实验和方法的理论基础,但是漫射近似理论只是一种对辐射传输理论的近似结果,在一定条件下有其特定的适用范围.为了确定漫射近似理论在活体非侵入式无损测量要求下的适用范围,本文采用Monte Carlo模拟校验的方法,对漫射近似理论和Monte Carlo模拟计算的结果进行了比较,给出了基于单散射反照率a和各向异性因子g的漫射近似理论适用范围数值标准.这一标准为漫射理论的应用提供了参考依据.     

非傍轴矢量高斯光束的传输

运用非傍轴光束传输的矢量矩理论，对非傍轴矢量高斯光束的传输特性进行了系统的研究.结果表明，基于二阶矩定义的横向光束宽度在光束传播过程中满足简单的双曲线变化规律，并且给出了光束传输因子的解析表达式.就高度非傍轴情形，进一步给出了简洁的计算公式，在高斯光源线度趋向零的极限情形下，横向的最大发散角为90°.同时，还推广到了傍轴情形，得到了与原有傍轴公式稍有区别的结果，而且光束传输因子始终保持略大于1最后，对非傍轴矢量高斯光束和非傍轴标量高斯光束的传输进行了比较，结果显示对于线度在两个波长范围之内的高斯光源发散 关键词： 矢量高斯光束 光束传输 非傍轴 二阶矩     

离散坐标法在计算生物组织内光场空间角分布中的应用

从辐射传输理论出发,研究了准直光照下层状生物组织内漫射光场的角分布.在辐射传输方程的基础上,采用离散坐标法得到了描述层状生物组织内漫射光传输问题的微分方程组形式,并用特征值-特征矢量方法对其进行了求解,给出了通解形式.结合边界条件对两类典型生物组织内漫射光场角分布进行了数值计算-各向同性组织和前向散射组织,给出了组织内不同深度处漫射光场空间角分布曲线.通过对计算结果比较分析,得到了生物组织内漫射光场空间角分布随深度的变化规律,及边界效应和光学参量对组织内漫射光场空间角分布的影响.