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Q63 2006043793混浊介质中后向单次漫散射米勒矩阵特征=Characteristicof diffuse backward single-scattering Mueler matrices inturbid media[刊,中]/邓勇(华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室,武汉光电国家实验室生物医学光子学研究部.湖北,武汉(430074)) ,骆清铭…∥光学学报.—2006 ,26(3) .—419-424采用斯托克斯-米勒形式,推导出当无限窄的连续光束垂直入射到混浊介质表面时,后向单次漫散射米勒矩阵的解析表达式。基于米氏( Mie)散射模式,详细分析了单次散射米勒矩阵元素的空间分布模式,以及与介质粒子数密度,尺寸参量之…     

船舰尾流前向散射的缪勒矩阵特性研究

从米氏散射理论出发,利用单次散射理论模型研究了船舰尾流前向散射缪勒矩阵(FSMMBSW)的分布模式,以及矩阵元与气泡数密度、气泡半径之间的关系.研究表明,气泡米氏散射缪勒矩阵元m2和m4在前向90°存在较大振荡,且振荡幅度随半径增大而增大;气泡幕前向散射缪勒矩阵元M11和M44无方位变化,有方位变化的矩阵元随方位角正弦...     

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.     

微生物凝聚粒子群的激光透射率研究

为了研究微米量级微生物凝聚粒子群所构成的复杂介质环境对入射激光透射率的影响,采用团簇-团簇凝聚模型模拟了微生物凝聚粒子的空间结构;利用离散偶极子近似方法计算其单次散射参量;通过蒙特卡罗仿真研究了10.6μm激光在微生物凝聚粒子群中的透射率。结果表明:当每个微生物凝聚粒子包含20~50个半径为1.5μm的原始微粒,凝聚粒子数密度大于800/cm3,测量区厚度为4 m时,将孔隙率的值控制在0.9以下,可使10.6μm激光在微生物凝聚粒子群中的透射率小于10%。     

双层散射介质的单次后向散射光谱分析

从上皮组织的结构特点出发,基于米氏(Mie)散射理论,建立了双层散射介质的单次后向散射光谱的理论模型,该模型通过偏振门屏蔽来自下层的噪声背景,只保留来自上层的单次散射光。计算分析了粒子的形态学参量如平均尺寸及其分布、相对折射率变化时,单次散射光谱的特征。并用傅里叶波形分析法研究了这些参量对单次后向散射光谱曲线形状及其谐波幅值的影响。结果表明,这些只经历了表层粒子单次散射的光谱信号对表层粒子的平均尺寸及其分布、相对折射率具有灵敏性。对光谱曲线波纹结构的幅值、频率,散射强度,光谱谐波的幅值有直接的影响。研究结果对早期癌症的散射光谱特征识别及其特征提取有重要的实用价值。     

手性介质中后向散射米勒矩阵特性及其在血糖无创检测中的应用初探

利用斯托克斯-米勒矩阵表述分析偏振光在手性介质中的传输规律,利用瑞利近似下的单次散射模型和基于米氏散射理论的多次散射的蒙特卡罗方法,探讨葡萄糖对后向散射偏振光传输特性的影响,计算了不同葡萄糖浓度下的后向散射米勒矩阵. 结果表明在含有葡萄糖的手性介质中后向散射米勒矩阵的若干矩阵元表现出微弱的旋光效应,旋光度随葡萄糖浓度增大而增大. 为了检测低浓度下微小的旋光变化,定义了函数对含-不含葡萄糖的米勒矩阵元图像进行处理,提取由葡萄糖引入的图像差异. 结合无创血糖检测应用要求,分析了葡萄糖生理浓度下的矩阵元图像,获 关键词： 医用光学与生物技术 偏振光 斯托克斯-米勒表述 蒙特卡罗模拟     

随机介质背散射二维Mueller矩阵的数值模拟与分析

推导了随机介质背散射Mueller矩阵的直接计算公式,并运用矢量Monte Carlo方法进行了数值模拟.结果表明随机介质背散射二维Mueller矩阵方位关系随散射系数的减小而增强,而与微粒大小关系不大;Mueller矩阵元素绝对值的空间分布随径向呈近似指数规律衰减,矩阵元素的方位变化具有周期性.对称系统的二维Mueller矩阵的花样图中仅有7幅独立,其余9幅可通过对称、旋转变换得到.     

利用偏振度研究散射介质浓度及杂质比的数值分析

为了研究散射介质的粒子数浓度对散射光偏振度的影响以及杂质混合比与目标偏振度的关系,求解了当激光器输出波长处于近红外波段806 nm时目标的米勒矩阵及偏振度的数值解,结果表明偏振度随散射介质粒子数浓度的变化十分显著;通过建立混合目标模型,讨论了杂质比与偏振度的数值关系,并对目标的偏振度进行了归一化,而且实现了由归一化偏振度对杂质混合比的反演。本文的研究结果为利用散射光偏振度研究大气遥感提供了新的途径。     

基于时域有限差分法的非球型气溶胶和卷云粒子散射特性研究

本文选取3种气溶胶粒子和3种卷云粒子,利用时域有限差分法,对椭球型气溶胶粒子和六棱柱卷云粒子在不同波长下散射相位函数进行了仿真分析,并讨论了入射方向对粒子散射特性的影响。仿真结果表明,尺寸参数较小时散射相位函数变化较平稳,尺寸参数较大时曲线出现震荡,且随尺寸参数增大震荡剧烈;粒子单次散射能量主要集中在前向散射,随散射角增大呈指数下降;气溶胶粒子散射相位函数在90~150°之间出现明显的波谷;卷云粒子散射相位函数一般不出现明显波谷。当入射角度改变时,气溶胶粒子在整个0~180°之内的散射相位函数都有101数量级的变化,卷云粒子则在0~90°前向散射内保持稳定。本文的研究方法和结论可以为研究天空偏振光模式的形成机理和变化规律提供参考。     

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。     

掺杂对随机分布团簇粒子缪勒矩阵的影响

文章分析了不同含量的杂质对随机分布团簇粒子缪勒矩阵的影响.利用Bruggeman有效介质理论得到了含有不同体积份额杂质的硅酸盐粒子的等效复折射率.采用离散偶极子近似方法对包含有不同化学成分的随机分布团簇粒子的缪勒矩阵进行了数值计算,给出了各个缪勒矩阵元素的散射角分布曲线,探讨了不同含量的杂质对随机分布团簇粒子缪勒矩阵的影响.研究表明,掺杂对随机分布团簇粒子的缪勒矩阵存在着不同程度的影响,并且此影响随着粒子尺度参数的变化而显著变化. 关键词： 团簇粒子 缪勒矩阵 Bruggeman有效介质理论 离散偶极子近似方法     

Simple parametric representations of the polarization optical properties of birefringent biological tissues in reflection polarization spectroscopy

The use of polarization reflection spectroscopy for investigating complex scattering media, including orientationally ordered optically anisotropic elements, requires a special choice of output parameters (represented by spectra) that characterize polarized light scattering by objects under study because the standard characteristics, such as the Mueller matrices, depend on the azimuthal orientation of the medium. We propose compact and convenient sets of experimentally determined output parameters that involve separate detection of co- and cross-polarized components of light scattered by a sample irradiated by a normally incident linearly polarized beam and include characteristics invariant with respect to the azimuthal rotation of the sample.     

随机取向群聚椭球粒子光散射特性研究

利用离散偶极子近似方法,考虑单元粒子之间的电磁相互作用,数值计算了随机取向的不同尺度参数、不同纵横比的群聚椭球粒子的缪勒矩阵元素,给出了各个缪勒矩阵元素的角分布曲线,探讨了随机取向的群聚椭球粒子的尺度参数、纵横比、基本粒子相对位置对其缪勒矩阵元素的影响。并将随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与单个等效球形粒子的数值结果进行了比较。结果表明,随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与等效球形粒子的光散射特性存在很大差别,基本粒子的形状越偏离球形,这种差别就越大; 随机取向群聚椭球粒子中椭球粒子的纵横比和相对位置对整个群聚粒子的缪勒矩阵元素存在不同程度的影响,并且此影响随着粒子尺度参数的增大而变得更加显著。     

随机取向群聚椭球粒子光散射特性研究

利用离散偶极子近似方法,考虑单元粒子之间的电磁相互作用,数值计算了随机取向的不同尺度参数、不同纵横比的群聚椭球粒子的缪勒矩阵元素,给出了各个缪勒矩阵元素的角分布曲线,探讨了随机取向的群聚椭球粒子的尺度参数、纵横比、基本粒子相对位置对其缪勒矩阵元素的影响。并将随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与单个等效球形粒子的数值结果进行了比较。结果表明,随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与等效球形粒子的光散射特性存在很大差别,基本粒子的形状越偏离球形,这种差别就越大; 随机取向群聚椭球粒子中椭球粒子的纵横比和相对位置对整个群聚粒子的缪勒矩阵元素存在不同程度的影响,并且此影响随着粒子尺度参数的增大而变得更加显著。     

Spectroscopic Mueller matrix polarimeter using four-channeled spectra

A Mueller matrix polarimeter acquired for four-channeled spectra is proposed. Both the polarizing and analyzing optics of this system consist of a linear polarizer and a high-order retarder. The polarizing elements can modulate the polarization states in the wavenumber space. By applying a Fourier transform method to a single-channeled spectrum, nine elements of the Mueller matrix can be deconvoluted without modifying the configuration of either the polarizing or analyzing optics. It is thus possible to determine the wavelength dependence of all the Mueller matrix elements from four-channeled spectra obtained using four different configurations for the polarizing and analyzing optics. The performance of this method is evaluated by measuring polarization properties, such as retardance, azimuthal angle, and linear diattenuation, from the obtained Mueller matrix in wavenumber space.     

Use of Dirac matrices in polarization optics

Several matrix methods have been developed for studying polarization properties of light. Jones was the first to apply the matrix method to the study of polarization optics. In Jones matrix formalism the polarized wave field is represented by 2-element column matrix known as Jones Vector and the polarization device encountered by light is represented by a 2×2 matrix, known as the characteristic Jones matrix of the device. Mueller introduced a new matrix method where the wave field is represented by a 4-dimensional vector. The elements of the vector are the Stokes parameters of the beam. In Mueller matrix formalism the optical device is represented by a 4×4 real matrix known as ‘Mueller Matrix’ of the device. The use of coherency matrix also proves to the useful in the study of partially polarized light. Pauli spin matrices have been used to unify the different matrix treatments of polarization optical phenomena. The present article is an attempt to unify the analysis of polarization phenomena using Dirac matrices used by Dirac in quantum mechanics. We have however redefined the set of Dirac matrices in terms of the Kronecher product of Pauli spin matrices.     

基于Mie散射理论的铌酸锂晶粒散射特性

基于Mie散射理论,对铌酸锂晶粒光散射特性进行了理论分析与数值计算,得到了散射强度分布、偏振度与散射角、散射强度与粒子尺寸参数,以及光学截面与粒子半径的关系。研究表明:前向散射占优势,并随粒子半径的增大而增强;当粒子半径为0.1 μm 左右,散射截面和吸收截面达到最大值。     

Vector parameterization of the Lorentz group transformations and polar decomposition of Mueller matrices

It is shown that the representation of the coherence matrix (the polarization density matrix) of beams of electromagnetic waves as a biquaternion corresponding to the four-vector of a pseudo-Euclidean space whose components are the intensity and the Stokes parameters provides a possibility of introducing the group transformations of these quantities isomorphic to SO(3.1) group. These transformations are a subset of the set of Mueller polarization matrices which, generally speaking, form a semigroup. The reduction of the semigroup of Mueller matrices to the group of transformations opens the possibility to use the vector parameterization of SO(3.1) group for interpretation of the polar decomposition of Mueller matrices. In particular, in this approach, the elements of the Mueller matrices corresponding to phase elements and polarizers turn out to be most simply and naturally related to their eigenpolarizations.     

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。