激光尘埃粒子计数器微型光学传感器的研究

研制成功便携式激光尘埃粒子计数器的核心部件———微型光学传感器。该传感器采用直角散射光收集形式,以高功率半导体激光器作为光源,同时采用高性能的PIN型光电二极管作为光电探测器。散射光收集系统为单一大数值孔径的球面反射镜,其对粒子散射光的收集角范围从20°到160°。粒子散射光信号是脉冲信号,其频谱成份主要在高频段,所以在PIN型光电二极管后用一个带通式前置放大器来消除外界的低频噪声,根据米氏散射理论计算了该光学传感器的光散射响应特性,并用聚苯乙烯标准粒子实测了该光学传感器的性能。结果表明,该系统具有高的信噪比、计数效率和尺寸分辨本领。     

尘埃粒子计数器中光源对传感器光通量的影响分析

在Mie散射理论基础上，由单分散射的光强表达式导出在偏振光的入射条件下一定立体角内的散射光通量的表达式，并与自然光入射作比较。计算了在相同强度不同光源入射下，尘埃粒子计数器的两种常用散射光收集系统收集的散射光通量。结果表明：采用近前向散射光收集系统得到的光通量相等；而采用直角方向散射光收集系统时两者并不相等，且在平面偏振光入射时，收集的散射光通量还跟探测器中心与入射光偏振方向夹角有关。用MATLAB编程计算，得出了在探测器中心与偏振方向的夹角成90°或270°位置时，收集的散射光通量有极值的结论，为激光尘埃计数器传感器光学设计提供了依据。     

颗粒群光散射脉冲信号统计参数分形特征

与不规则颗粒对应的随机脉冲信号计数分布是颗粒群粒度分布的完整反映。以幅度、宽度两个相对独立的特征参数为基础,研究了散射光脉冲信号计数分布的统计特性。利用激光尘埃粒子计数光电传感器对空气中尘埃粒子产生的散射光脉冲信号的幅度、宽度分布进行了统计测量,实验结果表明脉冲信号的统计分布不具有中心对称性,其幅度和宽度的计数分布都是满足对数正态分布规律。对数正态分布规律是测量过程中随机作用的具体表现。进一步的计算结果可证明,不规则颗粒群特征参数幅度和宽度之间存在分形结构关系,其分形维数为两者计数统计离散度的比值。     

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。     

大气气溶胶粒子折射率虚部反演方法研究

提出了反演折射率虚部的方法.以光散射为原理的粒子计数器测量光学等效直径,其结果受折射率虚部的影响较大;以粒子飞行时间为原理的粒子计数器测量空气动力学直径,其结果不受折射率虚部的影响.利用两种仪器的测量结果受折射率影响的差异来反演大气气溶胶的折射率虚部.通过与其它独立的测量结果对比表明,该方法反演气溶胶折射率虚部是合理的.     

大气气溶胶粒子折射率虚部反演方法研究

提出了反演折射率虚部的方法.以光散射为原理的粒子计数器测量光学等效直径,其结果受折射率虚部的影响较大;以粒子飞行时间为原理的粒子计数器测量空气动力学直径,其结果不受折射率虚部的影响.利用两种仪器的测量结果受折射率影响的差异来反演大气气溶胶的折射率虚部.通过与其它独立的测量结果对比表明,该方法反演气溶胶折射率虚部是合理的.     

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采用轨道受限运动方法研究了极区夏季中层顶区域的尘埃粒子电荷数与尘埃粒子半径。利用尘埃等离子体充电理论,建立了尘埃粒子充电方程模型,得到尘埃粒子充电时尘埃电荷数和半径的比值。然后结合ECT02实验数据,分析了发生极区中层夏季回波现象时极区中层顶区域尘埃粒子电荷数和半径的比值,并得到尘埃粒子的半径以及尘埃粒子所带电荷量。结果表明,极区中层顶区域的尘埃粒子平均所带电荷不到一个,它的半径约为20nm。     

极区夏季中层顶区域尘埃粒子参数的研究

采用轨道受限运动方法研究了极区夏季中层顶区域的尘埃粒子电荷数与尘埃粒子半径。利用尘埃等离子体充电理论,建立了尘埃粒子充电方程模型,得到尘埃粒子充电时尘埃电荷数和半径的比值。然后结合ECT02实验数据,分析了发生极区中层夏季回波现象时极区中层顶区域尘埃粒子电荷数和半径的比值,并得到尘埃粒子的半径以及尘埃粒子所带电荷量。结果表明,极区中层顶区域的尘埃粒子平均所带电荷不到一个,它的半径约为20nm。     

大气中球形粒子的散射特性研究

从Mie理论出发，得到了不同尺度的球形粒子对激光的散射图像及粒子的消光效率曲线。从得到的散射图像可以看出，随着粒子尺度的逐渐增大，散射光强越来越集中到前向散射方向，并且散射光强集中的角度越来越窄。从消光效率曲线可以看出，随着粒子尺度的增加，消光效率因子变化趋于平缓，并逐渐趋向于常数2。最后分析了散射光的偏振度对粒子尺度和散射角的变化关系。从散射光的偏振度随粒子尺度变化图可以看出，粒子散射光的偏振度随粒子尺度的增大而增加，且变化比较明显，而散射光偏振度大小的峰值逐渐趋向于前向方向，随着粒子尺度的增大，散射光偏振度趋于减小。     

弱电离尘埃等离子体层反射与透射的SO-FDTD方法分析

将弱电离尘埃等离子体复介电常数表示以jω 为自变量的分式多项式形式, 利用移位算子时域有限差分(SO-FDTD)方法, 给出了弱电离尘埃等离子体频域本构关系的时域形式. 推导了弱电离尘埃等离子体电磁特性的时域递推关系式. 用SO-FDTD方法计算了弱电离尘埃等离子体层的反射和透射系数, 分析了尘埃粒子浓度和尘埃粒子半径的变化对反射系数和透射系数的影响. 结果表明: 有尘埃粒子时的反射系数比没有尘埃粒子时反射系数小, 而透射系数要比没有尘埃粒子时的透射系数大; 当尘埃粒子浓度或尘埃粒子半径增大时, 其反射系数均减小.     

降雨粒子的无线紫外光散射特性

紫外光与降雨粒子相互作用发生散射,散射光特性改变能够反映降雨粒子的相关物理特性（如粒子尺寸参数、浓度、形态）,因此研究粒子的物理参数对散射光特性的影响对有效提高光谱法定量探测降水的精度有很大意义。由于雨滴在非球形降水粒子中具有代表性,以群雨滴粒子为例,采用T矩阵理论,利用紫外光直视和非直视单次散射模型,分析了入射光波长、群雨滴粒子形态、降雨强度、粒径大小与散射光强之间的关系。并用蒙特卡洛方法仿真分析了非球形群雨滴粒子在不同降雨强度和粒径下散射角与散射光强之间的关系,以及降雨环境中的风切变对紫外光散射特性的影响。通过理论及仿真分析,得到了不同群雨滴粒子形态下的路径损耗,不同降雨强度、风切变率和粒径下的散射光强分布。仿真结果表明：在紫外光直视与非直视通信方式下,降雨环境中的通信质量比晴天条件下的通信质量差,即路径损耗增大。当粒径分布已知时,随着降雨强度的增大,衰减系数增大,路径损耗增加,且直视通信方式的路径损耗比非直视降低7 dB左右。随着降雨强度、风切变率和粒子粒径的增大,散射光强曲线整体呈下降趋势,其中,降雨强度的变化对散射光强分布影响程度最大。相同通信距离时,不同降雨强度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小,当散射角继续增大到90°时,有效散射体体积逐渐减小,接收到的光子能量减小,暴雨中的散射光强衰减程度最大。相同降雨强度下考虑风切变时,相比较无风时的路径损耗增大5 dB左右。除此之外,还研究了椭球形和切比雪夫形粒子对紫外光散射光强的影响,结果表明当粒子粒径分布相同时,椭球形粒子的散射光强衰减较广义切比雪夫形粒子大。根据散射粒子的散射光强分布以及路径损耗能够区分雨滴粒子是否由相同粒径及形态组成,为粒子测量提供理论基础。分析降水中群雨滴粒子的光散射特性,为提高光谱法评估降水衰减的数值模拟方面提供理论依据,为光学技术在探测识别降水现象等气象领域的广泛应用提供了设计参考。     

基于Mie散射理论的MgF_2颗粒散射特性研究

本文应用Mie散射理论对微球体颗粒光散射的性质进行了理论分析与数值计算,得到了吸收截面与波长,散射强度与散射角以及散射强度与参数x的关系。结果表明,入射波长在300~4800 nm,粒子的吸收截面都为零;当λ>4800 nm,吸收截面随着粒子半径的增大而增大。     

用基于方位分辨的漫后向散射光确定粒子尺寸分布及相对折射率

基于偏振门技术,提出了利用漫后向散射光随线偏振光入射方位的变化来测量双层模型表层的粒子尺寸分布及相对折射率。双层物理模型用来模拟上皮组织,上层分别由聚苯乙烯小球或HeLa细胞悬浮液组成,下层由脂肪乳溶液组成,每层的光学特性与上皮组织光学特性匹配。根据米氏(Mie)散射理论,建立了与散射体形态参量相关的偏振后向漫散射强度随入射偏振方位变化的理论模型,并采用浮点遗传算法反演程序获得表层粒子的尺寸分布(PSD)及相对折射率。将理论值和实验测量值进行比较。研究结果表明通过测量随方位变化的后向漫散射光的偏振差分信号,能够获得类上皮组织模型表层的形态结构信息。     

A Double Gaussian Beam Method for the Determination of Particle Size,Direction and Velocity

This paper describes a technique aimed at measuring particle size by light scattering from gaussian laser beams. The uncertainties in illumination due to the beam shape are avoided by determination of the direction and velocity. The method, which we arbitrarily called the Two Beam System (TBS), uses a simple birefringent prism to separate the incident laser beam into two orthogonally polarised overlapping parallel beams. The relative delay and amplitudes of the intensities scattered out of the orthogonal polarisations are indicative of the particle direction and velocity. Having obtained the direction of travel of the particle, its size is then obtained from the scattered intensity using Mie theory.     

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。     

Highly sensitive optical sensor system for blood leakage detection

A highly sensitive method for the detection of blood leakage has been developed, and a practical sensor system for blood concentration measurement has been constructed. The present method is based on the attenuation of laser light by blood cells. The effects of the fluctuations of the incident laser light power are eliminated by normalizing the attenuated light intensity by the incident light intensity. A part of the incident laser light is reflected by a beam splitter mounted at the entrance of the test cell, of which the power is measured to provide base data for normalization. The optical path is extended to enhance sensitivity by using a pair of side mirrors. This multi-reflection method is very effective to increase sensitivity; the maximum sensitivity obtained for blood concentration is about 4 X 10^-6 by volume, which is significantly higher than that of the conventional sensors.     

长柱状气溶胶粒子的光散射特性

以中纬度卷云中常见的长柱状冰晶为例,利用长柱状粒子光散射理论,探讨了入射光为线偏振时,电矢量平行和垂直于入射面情况下,单个长柱状粒子的散射光强度分布和偏振特性随入射角、尺度参数与偏振态的转化关系:随着入射角的增大,散射强度、偏振总体趋于对称且数值振荡频率降低,散射强度总体减小,偏振的改变程度总体增大;随着尺度参数的增大,散射强度、偏振的数值振荡频率增大,散射强度数值振荡峰的幅度整体减小,电矢量平行于粒子长轴时主偏振的数量、强度和位置皆有变迁,电矢量垂直于粒子长轴时前后主偏振位置相对固定;随着偏振度的减小,散射强度、偏振趋向于一致,两者的数值改变程度减小,当偏振度减小到0时,散射强度、偏振变得完全相同。选取火山尘埃和烟灰与冰晶对比,阐述了粒子散射光的强度分布和偏振特性随折射率的变化规律:折射率虚部不改变散射强度的整体趋势,但使散射强度和偏振的振荡峰幅度增大,当其数值较大时,使得偏振的数值振荡峰覆盖范围拓宽。     

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．     

电子束管中的涂屏技术

在用PVA-发光粉泥浆技术涂制电视显象管的发光屏中PVA(AD)树脂的光反应是将发光粉粘结在底板上的关键环节。包有树脂的这些颗粒组成有最佳颗粒层数的发光屏(例如,1.4层)。在发光颗粒表面散射的紫外光只有当PVA-发光粉泥浆的pH值被调到7附近时才可能到达发光颗粒层的底面。在底板上被散射紫外光的强度决定于颗粒的光学不均匀性,而这个不规则性对球形颗粒是最大。紫外光的强度及其光程断面和高质量的发光粉是制备优良发光屏的保证。