切比雪夫雾霾粒子的紫外光散射偏振特性研究

雾霾天气已严重影响人们的日常生活,通过检测雾霾粒子的紫外光散射偏振特性可以有效分析雾霾成因。矿物粒子、灰尘粒子等雾霾颗粒均有小规模表面粗糙度的形态学特征,因此可用切比雪夫粒子作为模型分析。“日盲”紫外光与切比雪夫雾霾粒子相互作用发生散射,散射光偏振特性可反演切比雪夫雾霾颗粒物理性质(如粒子尺寸参数、复杂折射率、粒子形变、波纹参数)。采用紫外光单次散射模型和T矩阵方法,仿真分析切比雪夫雾霾粒子物理参数与散射光偏振特性(Stokes矢量和偏振度)之间的关系,结果表明：粒径对散射光Stokes矢量Is和Qs随散射角的变化趋势影响很大,粒子的粒径和复杂折射率虚部的变化会造成散射光偏振度随散射角的变化趋势的改变;具体分析散射角度为10°时,得到粒径对Is和Qs的数值影响最大,当粒径r<1 μm时,Is随粒径呈现抛物线趋势;切比雪夫粒子形变的增大,Is呈现先增大后减小的趋势。     

球形雾霾粒子的紫外光散射偏振特性研究

在我国经济社会快速发展的同时,雾霾天气成为了突出的环境问题,雾霾粒子的测量非常重要。偏振紫外光与大气雾霾粒子发生散射后,散射光偏振状态(Stokes矢量以及偏振度)的改变能反映雾霾粒子的相关物理特性(粒径、复杂折射率等)。基于Mie散射理论建立了紫外光雾霾球形粒子直视和非直视单次散射模型,研究了单个球形粒子和链状结构球形粒子物理特性的改变对散射光偏振状态的影响,并用蒙特卡洛仿真分析已知粒径分布的雾霾粒子浓度对散射光偏振状态的影响。结果表明：针对单个球形粒子,随着粒子粒径的增大Stokes矢量中散射光光强(I_s)随之增强,粒子复折射率虚部为先增大后较小,偏振度也是在不断增大,且复折射率虚部较小时,偏振度增加趋势快;对于粒径分布不变的雾霾粒子,随着粒子的浓度增加,雾霾粒子的散射系数、消光系数和吸收系数均呈线性增加,但是I_s先增大后减小。针对链状球形粒子,随着粒子个数的增加,I_s均呈现增大的趋势,且偏振度可用于区分链状球形粒子是否由相同球形粒子组成; 相同球形粒子组成链状结构中,I_s随着粒子数量的增加而线性增大,偏振度不改变;不同球形粒子组成的链状结构,I_s以及偏振度的变化趋势可以区分粒子物理特性。     

雾滴粒子群的偏振特性研究

根据Mie散射理论,基于一次实测资料拟合得出雾滴谱分布,计算了雾滴粒子群的散射相函数矩阵,揭示了不同波长的雾滴粒子群对入射激光的散射偏振特征。结果表明：激光散射强度随散射角的增加呈现先减小后增大的趋势,且波长越小散射光强分布越集中;波长越大,偏振度随散射角分布越平滑,反之分布震动则越剧烈;各波段偏振度随散射角增大的分布趋势大致相同,关键散射角随波长的减小向增大的方向偏移。     

雾滴粒子群的偏振特性研究

根据Mie散射理论,基于一次实测资料拟合得出雾滴谱分布,计算了雾滴粒子群的散射相函数矩阵,揭示了不同波长的雾滴粒子群对入射激光的散射偏振特征。结果表明:激光散射强度随散射角的增加呈现先减小后增大的趋势,且波长越小散射光强分布越集中;波长越大,偏振度随散射角分布越平滑,反之分布震动则越剧烈;各波段偏振度随散射角增大的分布趋势大致相同,关键散射角随波长的减小向增大的方向偏移。     

光阑对高斯谢尔模型光束偏振特性的影响

根据光束的相干-偏振矩阵理论,应用柯林公式对部分相干光经光阑衍射后的轴向、横向偏振特性从近场区到远场区的演化规律进行了详细的数值计算。经研究表明,由于光阑的衍射效应,使得高斯谢尔模型光束的偏振出现非均匀分布,光束偏振度沿轴向、横向分布出现多峰振荡现象,并且随着光阑截断参数的减小、光束空间相干长度的增大和传输距离的增大,多峰振荡逐渐增强。光束在自由空间沿轴向传输时,在近场区偏振度分布均匀,与源平面相同,随着传输距离的增大和空间相干长度的减小,偏振度沿轴向分布逐渐增大,无振荡现象。     

水体多角度偏振遥感机理研究

从水体的偏振探测机理出发,建立了偏振度与折射率的关系,探讨了在不同折射率组合情况下的偏振度变化规律。结果表明,由于不同折射率的水体在达到偏振度极值时入射角不同,当太阳入射角在交点角区间左侧时,偏振度与水体折射率成反比,当太阳入射角在交点角区间右侧时,偏振度与水体折射率成正比;不同折射率组合情况下的偏振度差值在太阳入射角40°左右和太阳入射角70°左右时达到极值。在最佳角度范围内获取偏振信息,可以使水体遥感的精度得到提高。     

伪装涂层材料的二向偏振散射研究

目标的偏振散射特征研究是偏振遥感应用的基础。在不同的条件下测量了伪装涂层的偏振参数,研究了入射角、观测方位角对涂层偏振散射特征的影响。研究发现,伪装涂层的面散射会产生较大的偏振度,而体散射具有消偏振效应;深色涂层因为面散射起主要作用而具有较大的偏振度;涂层散射光的偏振度与入射角成正比,在观测方位角接近镜面反射方向时最大,随着方位角的增加而迅速减小;草地的偏振度很小,与伪装涂层形成鲜明对比。利用偏振遥感可以有效地识别草地背景中的伪装目标,偏振测量在遥感和目标识别方面具有重要意义。     

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.     

冰云对天空偏振模式的影响

不同冰云条件对以偏振模式为导航信息源的偏振导航影响较大,为探究冰云大气相关参数（冰晶粒子形状、有效半径、冰水含量以及光学厚度等）对天空偏振模式的影响,建立了基于蒙特卡罗法的矢量传输模型,利用libRadtran模拟了实际冰云大气辐射传输过程,分析了不同冰云大气相关参数对天空偏振模式的影响,并通过图像式测试系统,实地测试了大连地区10组实际大气条件下天空偏振模式随冰云大气相关参数的变化情况。结果表明：冰晶粒子形状对冰云大气偏振度影响较大,对冰云大气偏振方位角影响较小。并且冰云大气偏振度随有效半径的增大而增大,随光学厚度和冰水含量的增大而减小,后逐渐趋于稳定的状态。在不同日期同一时刻下,大连地区实际冰云大气偏振度变化规律与仿真基本一致,验证了本文方法的有效性,为偏振导航的在实际冰云大气条件下的工程应用提供了理论支撑。     

金属纳米颗粒光学性质的离散偶极近似计算

采用离散偶极子近似(DDA)方法,研究了单体银纳米粒子和银纳米粒子阵列的光谱特性。研究结果发现,单体银纳米粒子的表面等离子体共振消光峰的位置随着周围介质折射率和粒子尺寸的增大逐渐红移,并且消光光谱的峰宽也越来越大。当银纳米粒子正方阵列的周期接近单体的共振波长时,阵列的消光光谱中会出现尖锐的共振峰,改变粒子尺寸的大小可以发现消光光谱中共振峰的峰值和位置有大幅度地改变,通过改变阵列在平行和垂直于入射光偏振方向上的周期,可以调节二维长方阵列共振峰的峰宽和峰位。该研究为纳米粒子在光学显微镜、生物传感元件、数据存储等领域中的应用提供有效地理论参考。     

微粒子的线度对Mie散射光强度影响的研究

根据Mie散射理论,研究了粒子线度对Mie散射光强的影响,不同性质的粒子,其影响效果不同,在固定入射波长条件下,散射光强随粒子线度呈周期变化,同时发现H2O微粒子散射光强峰峰间距与粒子的线度和波长的关系可简单的表示为Δa=-0.133 3+0.222λ.     

Theory of Raman scattering in Europium-chalcogenides

The intensity of the spin assisted Raman scattering in the Eu-chalcogenides is calculated using the excited states which were used in the analysis of the optical absorption. Various mechanisms are examined for the Raman scattering. In these mechanisms, the cross effect of the 4f spin-orbit interaction and the exciton-phonon interaction is found to be the most important for the scattering intensity. The characteristics of the Raman scattering from this mechanism are as follows: When the frequency of the incident light is in the tail region of the absorption peak, the polarization of the scattered light is perpendicular to that of the incident light; when the light in the middle region of the absorption peak is applied, the polarization of the incident light is depolarized in the scattered light; the scattering intensity decreases when the spin fluctuation is suppressed by an application of magnetic field or by lowering temperature through the Curie temperature. These characteristics in the Raman scattering have been observed in the experiments.     

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The characteristic of electromagnetic scattering by plasma cylinder is researched in this paper. Scattered fields of the parallel-polarized wave and vertical-polarized wave by plasma cylinder are calculated and analyzed. The calculated results show that the higher the electron density, is the greater the scattering intensity in the outside of the cylinder and the higher the plasma frequency of collision, is the smaller the scattering intensity in the outside of the column. In addition, the electromagnetic wave polarization and frequency of the incident wave also have a significant impact on the scattering intensity of electromagnetic waves, the vertically polarized wave is more likely to be scattered, and the lower frequency of the incident wave is also easier to scattering. These have certain reference value for designing and studying of the plasma antenna.     

基于成像法的气溶胶粒形和散射分析仪

粒形是影响气溶胶粒子光散射特性的基本参量,其定量信息的研究受到越来越多的关注。气溶胶粒形的常规测量手段为散射法和显微成像法。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的检测是可靠的。     

取向比对椭球气溶胶粒子散射特性的影响

利用T矩阵和离散坐标法研究了取向比对椭球粒子散射特性的影响, 计算了小尺度范围内椭球粒子的散射特征参量, 包括消光效率因子、不对称因子、单次散射反照率、散射相矩阵及双向反射函数(BRDF). 结果表明, 椭球粒子的散射特性与取向比密切相关, 粒子取向比会影响散射参量的振荡频率和振幅, 与球形粒子散射参量的相对差异也呈周期振荡趋势. 研究还发现, 某些特殊粒子尺寸的散射参量与粒子取向比基本无关. 在多次散射条件下, 分析不同取向比粒子群的BRDF随反射角和光学厚度的变化特性. 结果显示: 不同取向比粒子群的BRDF随反射角的变化趋势基本一致, 球形粒子群比非球形粒子群的BRDF曲线波动振幅更大; 球形-非球形粒子的BRDF相对差异随光学厚度和取向比的增大而减小, 随入射角的增大而增大.     

椭圆柱体对任意入射极化的电磁波的散射

基于电磁场的多尺度变换理论,得到了以导体椭圆柱为例的电磁波任意极化,任意垂直入射到目标上的散射场的解析式.将所得结果应用于计算圆柱目标的散射场,结果与文献完全一致.对椭圆柱体的散射宽度随入射波方位角,电磁波频率以及目标尺寸的变化进行了仿真.结果表明,在垂直于电磁波的方向上观测时,椭圆柱的垂直尺寸对散射有较大的影响,电磁波水平极化时散射最强.所用算法适用于介质椭圆柱等目标的散射特性研究,所得结果为目标尺寸、形状遥感电磁测量等实际应用提供了理论依据.     

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．     

Anomalous polarization effects during light scattering in random media

The dependence of the intensity of light backscattered from a layer of a randomly inhomogeneous medium on the polarization of incident light and the size of scatterers has been investigated. The results of numerical simulation have demonstrated that the direction of rotation of the plane of polarization is different in systems with small- and large-scale inhomogeneities. It is shown for the first time that the dependence of the sign of the residual circular polarization on the size of scatterers can be observed in systems described by the Henyey-Greenstein phase function used in simulating biological tissues. A similar anomalous polarization effect, which consists in changing the direction of rotation of the plane of polarization of backscattered light with an increase in the scattering angle, is revealed in studying the coherent backscattering component. These polarization effects are observed in light backscattering from optically active media.     

复合金属粒子散射强度分布的计算与分析

根据Mie散射理论,对金银复合粒子的散射强度和偏振度进行了数值计算与理论分析,得到了散射强度、偏振度与散射角、入射波长及核壳大小之间的关系。结果表明,入射波长越大,前向散射越强,易出现线偏振光;而核壳半径越大,背向散射越弱,易出现退偏振现象。该结论对金银复合材料光学特性方面的开发和应用提供理论参考。