Mechanisms of ultrasonic modulation of multiply scattered coherent light: a Monte Carlo model

A Monte Carlo model of the ultrasonic modulation of multiply scattered coherent light in scattering media is provided. The model is based on two mechanisms: the ultrasonic modulation of the index of refraction, which causes a modulation of the optical path lengths between consecutive scattering events, and the ultrasonic modulation of the displacements of scatterers, which causes a modulation of optical path lengths with each scattering event. Multiply scattered light accumulates modulated optical path lengths along its path. Consequently, the intensity of the speckles that are formed by the multiply scattered light is modulated. The contribution from the index of refraction is comparable with the contribution from displacement when the acoustic-wave vector is less than a critical fraction of the transport mean free path and becomes increasingly greater than the contribution from displacement beyond this critical point. This Monte Carlo model agrees well with an independent analytical model for isotropically scattering media. Both mechanisms are coherent phenomena, requiring the use of a coherent light source.     

Effects of modulation phase of ultrasound-modulated light on the ultrasound-modulated optical image in turbid media

In this paper, our investigations suggest that the modulation phase of ultrasound-modulated light escaping from the different locations in the ultrasonic field is different. In turbid media, the modulation phase causes the ultrasound-modulated light intensity collected outside the media to fluctuate. However, the ultrasound-modulated optical technology uses the ultrasound-modulated light signals to image. Consequently, the modulation phase affects the quality of ultrasound-modulated optical imaging.     

光速测定中激光调制频率选择性的研究

对激光经过超声晶体光栅调制从而利用相位差和光程差进行光速测定进行了理论分析和实验研究。结果表明,在光速测定时超声波频率的选择并不影响测量结果,但在晶体谐振频率附近进行测量更有利于光强波形的观察和结果的测定。这一结论在同类实验问题的操作上具有一定的指导意义。     

利用电光强度调制器频移特性实现可调延迟

针对光纤通信系统中数据同步处理时对脉冲可调延迟的要求,提出了一种可调延迟器的结构设计方案。对电光强度调制器(EOIM)的光频移特性进行了研究,基于EOIM对各级边带和强度的调制作用,利用EOIM对受激布里渊散射慢光装置中的泵浦光进行强度调节,从而实现延迟量可调。建立了可调延迟的数学模型,通过实验研究分别得出了在一定微波调制功率下EOIM调制深度和直流偏置电压随脉冲延迟量的变化关系。从实验结果中可以看出:在引起失真的主要因素为零的情况下,当直流偏置电压为半波电压的1/2时,脉冲相对群延迟随调制深度的增大逐渐减小;当调制深度为1.39时,脉冲相对群延迟随直流偏置电压的增大逐渐增大,延迟量最大可达到未调制情况下的1.106倍,实现了较大范围的延迟量调节。     

聚焦光在亚表面损伤介质中的散射特性

针对光学元件的亚表面缺陷,结合基于激光共焦层析的亚表层检测方法,建立聚焦光束在亚表面损伤介质中的传输模型,并采用有限元分析方法,仿真研究K9玻璃光学元件亚表层缺陷对聚焦光束的散射调制特性,特别对颗粒状和微裂纹两类特殊缺陷的光学调制特性进行研究和分析,探索了波长、缺陷大小、缺陷折射率及缺陷方向对聚焦光束散射特性的影响规律,通过分析包含亚表面损伤缺陷信息的光场分布图和强度变化曲线,获得了亚表面损伤缺陷的信息,并对其进行评价。     

Study on mechanism of ultrasonic fluorescence modulation in light scattering medium based on diffusion approximation with varying refractive index

In this study, we propose a model to describe the mechanism of ultrasonic fluorescence modulation based on the application of a modified diffusion approximation, which is derived from the radiative transfer equation with consideration of the varying refractive index. The model was evaluated by computation with finite element method (FEM) to simulate the physical phenomena of our previous experiments. The simulation shows that the measured power of the modulated fluorescence signal at the boundary of 40-mm-thick light scattering medium (scattering coefficient and anisotropy factor of 1.36mm^?1 and 0.67, respectively) with the fluorophore located at the center was 10^?20 of the incident laser power. The analysis based on the simulation results indicates the significant property of the modulation in which the modulated signal is combination including two processes generated from the variation of the refractive index and fluorophore concentration (the contributions of these are equivalent), whereas the contribution of the variation of the scattering coefficient is negligibly small. The profile of the fluorescence image and the characteristics of the quadratic relationship between the modulated intensity signal and the sound pressure are consistent with our previous experimental results.     

Theoretical and experimental study of the intensity distribution in biological tissues

Based on the diffusion approximate theory （DA）, a theoretical model about the distribution of the intensity of a narrow collimation beam illuminating on a semi-lnfinite biological tissue is developed. In order to verify the correctness of the model, a novel method of measuring the distributions of the intensity of light in Intralipid-10% suspension at 650 nm is presented and ts of the distributions of the distance-dependent intensity of scattering light in different directions are made. The investigations show that the results from our diffusion model are in good agreement with the experimental results beyond and in the areas around the light source, and the distance-dependent intensity in the incident direction attenuates approximately in the exponential form. Furthermore, our theoretic results indicate the anisotropic characteristics of the intensity in different directions of scattering light inside the biological tissue.     

一种动-静态光散射颗粒折射率测量法

提出一种动静态光散射颗粒折射率测量方法.该方法分为三部分,一部分是用动态光散射技术测得颗粒样品的线宽分布函数,然后将此线宽分布连同一组折射率值代入静态光散射公式推算出不同折射率值下的散射光强空间分布;第二部分是用光电探测器测出实际的散射光空间分布;第三部分是将不同折射率下的推算值与实测值做均方偏差运算以做比较,取均方偏差最小时所对应的代入折射率值作为颗粒折射率的最终测量值.此方法对样品的分散度无要求,适用于微米到亚微米级的颗粒物.     

光通过纳米颗粒随机散射体透射光强的计算及分析

光通过随机散射体后透射光强的估算,对于提取散射体内部无法直接测量或者无法直接观察的信息至关重要。在分析平行光束通过纳米圆形颗粒随机散射体出射面上光强组成的基础上推导了透射光强的计算公式,并指出多重散射理论、一阶多重散射理论和朗伯-比尔定律在一定近似程度上可以相对精确地估算透射光强。这三种方法的估算结果之间会出现四种相对关系。根据这些相对关系,分析了光在散射体内部传输时散射过程的特征以及各种散射过程对出射面光强的贡献大小。     

椭圆截面非球形颗粒群的多重光散射

尽管非球形下一些特殊形状颗粒的单散射已被得到,球形多颗粒系（颗粒群）的多重散射也被研究,但至今仍未得到非球形颗粒群的多重散射.文中建立了一类椭圆截面非球形颗粒模型,求得其散射相位函数,借助于辐射传播方程,考虑形状及大小分布,得到了该类颗粒群的多重光散射.在两种特例情况下的结果能与已有的结果符合较好,说明了方法的可靠性.计算分析表明：非球形颗粒群的多重散射光强角分布要比球形颗粒平坦.椭圆截面颗粒的粒度或形状参数越大,多重散射光越集中于小的散射角;粒度分布或形状分布越宽,多重散射光强的角分布越平坦.随着光学厚 关键词： 多重光散射 颗粒 非球形 椭圆截面     

基于几何光学的泡沫滴/水滴光散射计算模型

为深入研究舰船泡沫 水两用幕的光衰减机理,建立了基于几何光学的泡沫滴/水滴光散射强度分布计算模型。利用该模型对液相折射率m2为1.20至1.50范围内、气泡相对半径r为0至0.99的球状泡沫滴和水滴、散射角为1至10内的光散射强度进行了数值计算。结果表明,泡沫滴/水滴对可见光具有强烈的散射作用,内的散射强度与入射光强度之比T随的增大而提高,最高可增加2个数量级;随m2的增大而降低,m2从1.30至1.40变化,T降幅最高达11.6%;随r的增加先下降而后提高,达到最低0和最高80.8%;T最低值对应的最优气泡半径ro随m2的降低和的增大而提高,从0.1最多增至0.4。该结论可为舰船泡沫 水两用幕技术的发展提供必要的理论基础。     

高功率激光传输过程中散射点对光束质量的影响

为了研究高功率激光传输过程中不透明颗粒引起的光束调制,通过分析这些不透明颗粒的形状和分布特点,建立了位置呈随机分布的高斯状散射点模型,从光束的衍射理论和干涉叠加理论出发,得到该模型下散射点对传输光束质量影响的解析式。数值分析了高斯状散射点的大小、密度、散射面积比及其传输距离对输出光束的近场分布、位相分布和光束透过率的影响,结果显示亚毫米量级散射点的衍射效应引起最大调制可达1．4,光学元件散射面积比小于0．003时才能满足元件透过率大于99．5％的需求。该结果可用于评价高功率激光装置光学元件的加工状况,并对光学元件加工要求和激光装置的洁净度要求有指导意义。     

TiO2微粒对远程荧光粉膜及白光发光二极管器件光色性能的影响

利用热压法将TiO₂微粒掺入至YAG:Ce荧光粉和硅树脂中制备出远程荧光粉膜并封装成白光发光二极管(LED)器件, 通过荧光粉相对亮度仪、双积分球测试系统和可见光光谱分析系统对样品的光色性能及机理进行了研究. 结果表明: TiO₂的散射效应能够显著提高蓝光的利用率和黄光的透射强度, 白光LED器件的光通量在TiO₂浓度为0.966 g/cm³ 时达到最高值415.28 lm(@300 mA, 9.3 V), 提高了8.15%, 相关色温从冷白6900 K逐渐变化至暖白3832 K. TiO₂的掺入不仅提高了远程荧光粉膜的发射强度和白光LED器件的光通量, 同时能调控其相关色温.     

Doppler effect's contribution to ultrasonic modulation of multiply scattered coherent light: Monte Carlo modeling

Modulation of light by ultrasound in turbid media is investigated by modified public domain software based on the Monte Carlo algorithm. Apart from the recognized modulation mechanisms, originating in scatterers' displacements and refractive index modulation, an additional mechanism, evolving from Doppler shift during photon scattering, is considered. Comparison of the relative contributions from all three mechanisms to light modulation by ultrasound is performed for different medium scattering properties and ultrasound frequencies. Refractive index modulation remains the strongest mechanism for light modulation by ultrasound, but for high ultrasound frequencies and for large scattering coefficients the Doppler effect can become dominant.     

椭球模型下通过雾场的多重光散射谱

由于雾滴的非球形、多重散射特性以及几何光学效应,光通过实际雾场的散射问题成为一个研究难点. 建立了近于实际的椭球雾滴模型,考虑光的衍射、透射及反射特性后,利用辐射传播方程得到了在不同的雾滴大小分布 及不同的雾滴形状分布下通过雾场的多重散射光强公式.在两种特例下与已有的结果较为相符,说明了方法的可靠性. 计算表明:与随机取向的非球形颗粒场的散射谱呈圆形特征不同,通过椭球形雾滴场的散射谱呈椭圆特征, 不同方位角的散射光强角分布有所差异,雾滴的形状因子越接近于1,差异越小;与单散射不同, 散射谱中的条纹随光学厚度增大逐步消失;对于不同大小分布及不同形状分布的雾滴场, 在不同方位角及不同观察角的散射光强随光学厚度τ的增加总是先增大再减小,光强的极大值位置在τ = 1.0---3.0 范围内.计算同时还表明,由于多数情况下实际雾场的雾滴大小偏差较大, 因而通过雾场的散射谱将呈现以中央亮斑为中心向四周弥散的图样.     

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。     

随机粗糙表面光散射场分布特性的机理研究

为了研究随机粗糙表面光散射分布特性机理,采用线性滤波法生成高斯分布随机粗糙表面,以基尔霍夫近似作为电磁场边界条件,采用蒙特卡罗方法数值计算了一组金属和一组电介质粗糙表面在S偏振光和P偏振光照射下的散射光强度空间分布。计算结果显示:金属表面与电介质表面的散射光分布宽度、散射峰值、散射峰位置三个散射特征存在显著差异,经过分析发现这种特征差异的产生机理是由表面面元的斜率分布和面元反射率共同因素导致,与数值计算结果对比,二者具有良好的一致性。     

光在水中吸附膜层气泡上的散射特性

光在水中大尺度气泡上散射特性的研究多是基于Davis模型.该模型没有考虑到吸附膜层对光在气泡上散射的影响,而海水中的大多数气泡都有膜层附着,这些膜层会影响到气泡的光散射特性.本文从几何光学的角度出发,建立了吸附膜层气泡的体积散射函数简化公式.在此理论基础上,模拟计算了尺度远大于入射光波长的大气泡散射光强分布曲线,得出光照射下气泡上散射光强的远场特性,讨论了影响气泡散射光强分布的主要因素.并与无膜气泡光散射分布曲线比较,讨论了油膜膜厚、折射率等参量对气泡的光散射特性影响.得出结论:吸附膜层气泡的光强分布曲线与无膜气泡相似,但吸附膜层会削弱前向散射光,增强后向散射光.     

罗丹明B的共振散射光谱研究

研究了罗丹明B(RhB)的共振光散射的特性与机理。在 pH =- 0 38至 pH 4 10的酸性溶液中 ,共振光散射信号随pH值增大而增强 ,近中性时散射强度达到最大。散射强度随波长的变化不符合瑞利散射定律。RhB的荧光激发光谱与发射光谱有部分重叠 ,共振散射峰处于荧光激发峰和荧光发射峰之间。在三维荧光等高线光谱图中 ,瑞利散射线与荧光等高线相交。在光偏振实验中 ,测得共振散射光的偏振度P≈ 0 1。上述实验结果揭示RhB的共振散射光主要是共振荧光。共振光散射信号随 pH值增大而增强的机理是RhB酸碱平衡移动导致荧光型体的形成。RhB的共振散射峰位于吸收曲线轮廓之中 ,共振光散射受光吸收的影响 ,因此 ,散射光强度与浓度之间不是严格的线性关系。     

基于偏振门的动态光散射颗粒测量法的研究

为了解决动态光散射纳米颗粒测量技术无法测量高浓度颗粒粒径的难题,提出了一种基于偏振门的动态光散射测量法。从动态光散射和Mie理论出发,理论分析了在高浓度溶液下多重散射效应对散射光偏振态和颗粒粒度测量结果的影响。根据散射光偏振特点,结合偏振门检测技术,改进了传统的动态光散射光学系统。实验研究了在低浓度和高浓度溶液时,不同偏振角度下的散射光强和粒度测量值,完善了散射光的偏振理论。采用90°偏振门检偏,通过各种浓度下的实验,证明了方法的可行性。该方法较之目前同类方法具有原理和结构简单,系统易于维护的特点。