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     

非球形粒子散射光的去偏振特性研究

目标对入射偏振光的散射特性反映了目标的属性信息。在Rayleigh散射理论的基础上，通过单层非球形粒子对入射偏振光的散射数学模型，应用矢量传输方程来计算非球形粒子散射的Mueller矩阵元，求解散射介质的偏振度，讨论在不同介质层厚度、粒子半径和探测角的条件下，非球形粒子散射光去偏振度的变化特性，给出了模拟仿真结果。该方法为研究目标的内部结构、厚度和粗糙度等特征以及目标的探测和识别提供了一种新的途径。     

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.     

多分散高浓度介质偏振光后向扩散散射的Monte Carlo仿真

建立了针对多分散高浓度介质偏振光后向扩散散射的Monte Carlo仿真模型，导出了多分散 系统的有效自由程分布函数. 给出了半径为50nm与550nm及其三种不同体积浓度比混合的聚 苯乙烯微球作为散射粒子的高浓度介质的仿真结果. 定性地分析了多分散介质偏振光后向扩 散散射的光强空间分布特征与粒子的体积浓度比的关系. 关键词： 后向扩散散射 偏振光 多分散高浓度介质 Monte Carlo仿真     

一层随机非球形粒子高阶散射矢量辐射传输迭代解的参数求逆

根据一层随机非球形粒子矢量辐射传输(VRT)方程的一阶与高阶Mueller矩阵解的差异,提出了在已知一些参数的条件下,用水平与垂直同极化和交叉极化后向散射测量反演非球形粒子复介电常数和单位面积粒子数的迭代方法,并用极化后向散射强度的模拟测量数据及机载合成孔径雷达(Air SAR)实测数据进行了反演试验,并对反演值与各参数的关系以及测量噪声对反演的影响进行了讨论.     

基于时域多分辨算法的非球形气溶胶散射特性仿真模拟

非球形气溶胶的散射特性是影响辐射传输模拟准确性的重要因素.为实现非球形、非均质气溶胶散射特性的模拟,基于MRTD(multi-resolution time-domain)方法建立了一个新的气溶胶散射模型.采用MRTD技术实现了近场电磁场的计算;考虑气溶胶的特殊性,推导了基于体积积分方法的近远场外推方法,实现了粒子散射振幅矩阵和穆勒矩阵的仿真;构建了粒子吸收和消光截面的计算模型,实现了粒子积分散射特性的高精度模拟.将MRTD散射模型的结果与Mie理论、T矩阵法进行了对比,验证了模型的准确性;讨论了空间网格粗细对模拟精度的影响,并定量分析了模型的运行效率.结果表明,MRTD散射模型的相函数模拟误差小于8%,其中前向散射方向小于4%;当粒径与入射光波长相当时,消光和散射效率因子的相对误差小于0.1%;空间网格粗细对模拟精度影响显著,当粒子尺度参数小于20时,在相同模拟精度要求下,所需网格尺寸随尺度参数呈先增大后减小的特征.     

癌变对上皮组织前后向散射特性影响的对比研究

Mueller矩阵成像法可用于获取生物组织的微观结构信息,在组织早期癌变的诊断中发挥着重要作用。采用不同的成像方式得到的结果往往具有很大的差异。为了保证Mueller矩阵成像法对组织癌变诊断结果的可靠性,需要明确成像方式不同对检测结果的影响。建立了正常和癌变上皮组织散射模型,利用Monte Carlo仿真法对比研究了癌变对上皮组织前向和后向散射特性的影响。仿真结果表明,采用前向散射成像方式时,去偏参量对组织状态的改变比较敏感,但去偏参量随组织癌变的发展并非单调变化;而采用后向散射成像方式时,相位延迟参量随组织状态的改变有显著变化,且相位延迟随组织癌变的发展单调减小。     

光偏振态的群论描述:转动矩阵的生成元

应用偏振光描述中的变换矩阵与群论的对应关系[1]和相应的计算理论,讨论了与偏振光学系统中的Jones矩阵、Mueller矩阵相对应的SU(2)群、SO(3)群和Lorentz群的生成元问题,给出了用单位矩阵、Pauli自旋矩阵和稀疏矩阵分别作为无耗偏振光学系统中SU(2)群元(Jones矩阵)和SO(3)群元(Mueller矩阵)生成元以及部分损耗偏振光学系统中的幺模群(Jones矩阵)和Lorentz群(Mueller矩阵)生成元的具体形式;矩阵计算理论说明这些群元的生成元表示可以简化偏振光学系统的计算。     

光子偏振度受大气散射影响的分析

采用矩阵形式描述光子的偏振态和大气散射理论, 分析了“BB84协议”中四个不同偏振光子经单次散射后光子的偏振度与前向散射角的关系。发现单次散射不改变偏振光子的总偏振度, 但改变偏振光子的线偏振度与圆偏振度, 尤其对垂直偏振光子的线偏振度与圆偏振度改变明显; 当前向散射角小于0.25 rad时, 四个不同偏振光子的线偏振度基本保持不变, 量子信息仍然保持; 同时分析了大气散射对不同波长的垂直偏振光子线偏振度的影响, 发现长波光子偏振度保持度高。     

纺织纤维光散射特性的模拟与实验

纺织纤维的光散射特性在纺织材料微观结构、光学性质以及无损检测中至关重要。利用纺织纤维各向异性的结构特点改进现有的角谱展开法,得到纺织纤维对倾斜入射平面波的散射以及表征其光散射特性的Mueller矩阵。采用蒙特卡罗算法模拟了平行棉纤维束对倾斜入射偏振光的多次散射,并对其计算结果进行了实验验证。结果表明理论计算和实验测量的散射光斑在形状特征、光强分布上均一致,从而验证了蒙特卡洛方法模拟纺织纤维光散射的正确性。结果同时也表明蒙特卡罗方法在纺织材料光传播特性的理论研究中具有重要的指导意义。