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.     

折反式激光粒度测量方法

激光粒度仪因其快速、非接触等优点被广泛应用于各领域的粒度分布测量,但颗粒散射光的角分布与粒度大小关系复杂。为了获得不同粒度下的相对精度一致,通常会造成粒度分布测量范围小、无法满足宽分布粒度测量要求等问题。根据Mie散射近似的菲涅尔原理,提出采用折反式光路,将颗粒散射信号由分光镜分成两束,经两组组合式镜头和2个光电探测器分别采集透射和反射的散射信号,信号组合后经反演得到颗粒粒度分布,从而提高了可测粒度范围。采用两种标准粒子及其混合物进行了实验,结果表明,单种标准粒子测量结果的体积中位径D50的测量相对误差都不大于7.9%;对混合粒子也能够得到正确的峰值分布。     

由吸收系数和粒度分布计算浮游植物的散射光谱特征

散射特性在水色卫星遥感模式的开发、水下光辐射传输、优势藻光谱特征的提取以及赤潮监测等方面有着重要的应用价值.在假定藻细胞为均匀球形结构的条件下,建立了浮游植物的散射正演模型.模型输入参量为实际测量的藻细胞吸收系数和粒度分布,输出参量为浮游植物的散射效率和吸收效率光谱.对短伪海链藻和威氏海链藻进行实验,模拟结果与实验结果的比较发现:该模型估箅得到的散射光谱能与实验的散射光谱得到很好的吻合,两种藻的模拟散射效率相对实验散射效率的误差分别为7%和10.6%,吸收效率的误差分别为7.4%和13.4%.模拟与实验结果的吻合表明,由吸收系数和粒度分布可以模拟出藻类的散射光谱特性.单细胞近似球形藻类散射正演模型可行.     

基于图像动态光散射的二维纳米颗粒粒度测量

提出了一种基于图像动态光散射原理测量二维纳米颗粒粒度的新方法,称为平移转动-图像动态光散射(TR-IDLS)法。采用会聚的偏振高斯光束照射样品池中处于布朗运动的二维纳米粒子,分别采集纳米粒子的水平偏振散射光信号和垂直偏振散射光信号。根据两个偏振方向上散射光光强波动的时间相关函数,计算出纳米颗粒的平移和转动扩散系数的分布,进而从扩散系数中获得颗粒的长宽比、等效直径和厚度的分布。采用该方法测量了球形标准纳米颗粒和片状云母颗粒的粒径。采用电镜获得了片状云母颗粒的形状和等效直径,并与TR-IDLS方法的实验结果进行比较,验证了TR-IDLS方法的可行性。     

非球形颗粒形散函数的计算方法

用小角散射测量粒度分布，通常假定颗粒形状是球形，实际上颗粒形状是很复杂的．统计地将颗粒形状归并为类球形、类盘形和类杆形三种．指出了计算形散函数的一般方法；并计算了类球形颗粒的形散函数，给出调节参量δ，可供一般分析选用． 关键词：     

基于Mie散射理论的颗粒粒度分布转换

使用动态光散射法可以获得颗粒的光强加权平均粒径,以及光强加权颗粒粒度分布。为获得数量或体积加权颗粒粒度分布,提出从光强分布到数量分布转换的直接比值法。该方法首先依据Mie散射理论求解不同粒径颗粒的散射光强,然后将光强分布与对应颗粒的散射光强进行比对,获得颗粒的数量分布,进而得到颗粒的体积分布。使用动态光散射法测量得到聚苯乙烯乳胶球混合样品的光强分布,利用直接比值法将光强分布转换为数量分布和体积分布,并与扫描电子显微镜测量的数量分布进行了对比,实验数据表明采用直接比值法能够获得准确的数量分布。     

飞尘气溶胶粒子散射特性分析:对比实验和米散射方法

采用Mie散射理论计算了可见光波段等效球飞尘气溶胶粒子的Stokes散射矩阵,并与实验得到的空间随机取向的非球形飞尘气溶胶粒子结果进行了对比分析;由理论与实验方法得到的散射相函数,采用离散坐标法计算了两者的双向反射函数(BRDF),并对此结果进行了分析研究。结果表明:实验测量的非球形飞尘气溶胶粒子群的散射矩阵和基于球形粒子假设的Mie散射理论计算结果在大多数散射角上都不相同,但是不对称因子却大致相同;球形-非球形粒子群的BRDF随反射角的变化趋势基本一致,但是球形粒子群的BRDF曲线分布具有更大的波动趋势;随着光学厚度的增加,球形-非球形粒子群的BRDF曲线分布均趋于平坦,计算结果趋于一致。因此在飞尘气溶胶粒子散射特性研究中,当光学厚度较小时,用球形假设的方法会造成一定的误差,BRDF相对误差最大可以达到60%,需考虑粒子非球形特性造成的影响;而当光学厚度较大时,BRDF相对误差一般不会超过10%,采用球形假设的方法具有一定的适用性。     

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。     

利用近前向散射图样识别单粒子形状的理论研究

近前向光学散射图样可以用来表征颗粒物的形状.基于球形芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、类鼻疽伯克氏菌的回转长椭球模型, 采用离散偶极子近似方法, 通过模拟3个不同方位探测器接收的散射光强响应信号, 讨论了非球形生物气溶胶颗粒的形状对前向角分辨光强的影响.结合球形指数反演算法, 在一定取向条件下, 前向5°–20° 内角分辨散射光强具有识别长形颗粒物和非长形颗粒物的能力.该研究可以为颗粒物形态测量仪器设计以及快速检测有害生物气溶胶提供依据.     

离轴球形粒子对高斯波束的散射光通量的计算

利用矢量球谐函数展开的方法,研究了离轴球形粒子对椭圆高斯波束的散射。根据其远区散射场的形式,得出了归一化散射场的斯托克斯参量(散射强度)与颗粒直径、折射率以及散射角的关系。建立了计算离轴球形粒子对高斯波束散射通量的解析模型,计算了散射光在任意散射方向上的光通量,得到了前向任意立体角内散射通量的计算公式,为激光散射探测提供了理论依据。     

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．     

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。     

Characteristics of the crystalline and luminescence properties of a-plane GaN films grown on γ-LiAlO2 （302） substrates

A method of clarifying bioaerosol particles is proposed based on T-matrix. Size and shape characterizations are simultaneously acquired for individual bioaerosol particles by analyzing the spatial distribution of scattered light. The particle size can be determined according to the scattering intensity,while shape information can be obtained through asymmetry factor(AF) . The azimuthal distribution of the scattered light for spherical particles is symmetrical,whereas it is asymmetrical for non-spherical ones,and the asymmetry becomes intense with increasing asphericity. The calculated results denote that the 5 –10 scattering angle is an effective range to classify the bioaerosol particles that we are concerned of. The method is very useful in real-time environmental monitoring of particle sizes and shapes.     

雾霾粒子的紫外光散射特性研究

紫外光与雾霾粒子发生散射后,其散射信道特性能够反映雾霾粒子的相关物理信息,利用无线紫外光单次和多次散射信道模型,采用Mie散射和T矩阵理论分析了霾粒子在不同形态和浓度下的紫外光散射信道特性,以及散射角对散射光强的影响,并完成了紫外光在雾霾环境下的实测。通过理论及仿真分析,得到了不同霾粒子形态下的紫外光通信路径损耗以及光强分布。结果表明：紫外光直视通信方式下,路径损耗随着霾粒子浓度的增大而增大,且通信质量差于晴朗天。非直视通信方式中,在短距离通信时,高霾浓度下的路径损耗小于中低霾浓度,然而随着通信距离的继续增大,高雾霾浓度下的通信质量急剧下降,低霾浓度下通信质量最终达到最优,且距离为200 m时通信质量能优于晴朗环境。当通信距离相同时,三种雾霾浓度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小,当散射角继续增大并超过90°时,低霾浓度下的散射光强最大。主要原因是虽然散射角继续增大,但是有效散射体体积逐渐减小,因此低霾浓度下的散射光强较大。且当粒子粒径相同时,球形粒子的衰减较非球形粒子大。雾霾环境下实测结果与仿真结果相类似,证明了仿真结果的正确性,并在一定程度上证明了实际大气中雾霾非球形粒子多于球形粒子。     

光学厚度对颗粒媒质的多重散射的影响

基于辐射传播方程及多重散射基础理论,利用Fraunhofer近似,对颗粒媒质的多重散射光强进行了计算。研究了光学厚度对多重散射的影响,揭示了多重光散射的角分布特征,光强大小随光学厚度的变化,以及单散射引起的误差等方面的规律。为实际的颗粒媒质的光学测量等提供了理论根据。     

非球形椭球粒子参数变化对光偏振特性的影响

针对自然界中多数沙尘、烟煤粒子的非球形问题, 在球形粒子偏振特性的基础上, 进一步研究非球形椭球粒子的折射率、有效半径、粒子形状等参数变化对光偏振特性的影响, 采用基于T矩阵的非球形粒子仿真方法, 模拟非偏振光经椭球粒子传输后光的偏振特性及其与球形粒子间的差异, 并以实际沙尘、海洋、烟煤三种气溶胶粒子为例说明结果的正确性. 结果表明: 当折射率实部越小, 虚部越大时, 球形粒子与非球形粒子的偏振差异越不明显; 当粒子有效半径增加时, 球形粒子偏振度的变化比非球形粒子更为明显, 且最大值分别出现在散射角为150°和120°的位置; 当粒子形状不同时, 不同形状椭球及球形粒子的差异在散射角小于60° 时并不明显, 且当椭球粒子纵横比互为倒数时, 两种粒子的偏振特性近似相同. 通过以上分析可知, 在光传输过程中, 椭球粒子多数情况下无法被近似为球形粒子进行计算.     

Linearized T-matrix and Mie scattering computations

We present a new linearization of T-Matrix and Mie computations for light scattering by non-spherical and spherical particles, respectively. In addition to the usual extinction and scattering cross-sections and the scattering matrix outputs, the linearized models will generate analytical derivatives of these optical properties with respect to the real and imaginary parts of the particle refractive index, and (for non-spherical scatterers) with respect to the “shape” parameter (the spheroid aspect ratio, cylinder diameter/height ratio, Chebyshev particle deformation factor). These derivatives are based on the essential linearity of Maxwell's theory. Analytical derivatives are also available for polydisperse particle size distribution parameters such as the mode radius. The T-matrix formulation is based on the NASA Goddard Institute for Space Studies FORTRAN 77 code developed in the 1990s. The linearized scattering codes presented here are in FORTRAN 90 and will be made publicly available.     

Effect of electric field on light scattering by aqueous colloids of diamond and graphite

We present the results of our experimental investigation of light scattering by polydisperse colloids of diamond and graphite. The scattering is studied at a random orientation of particles and in an external radiofrequency electric field, which orients particles along the strength. The average dimensions of particles in both colloids are close to each other and comparable with the wavelength of the incident light. The shape of particles and the optical and electrooptical properties of diamond and graphite colloids are significantly different. We analyze the polarization components of scattered light energy when the light incident on the colloids is linearly polarized. We show that the quadrupole light scattering by isotropic diamond particles has the main effect on angular dependences of depolarization of scattered light. For light scattering by anisotropic graphite particles, the depolarization of scattered light is mainly determined by a particular feature of the dipole scattering of particles. It is shown that, in both colloids, the orientational order of particles considerably reduces the depolarization of light scattered by particles. We show that relative changes in the intensity and depolarization of scattered light, which depend on the scattering angle and polarization direction of light, as well as on the parameters of particles, can be used as a measure of electrooptical effects observed in colloids.     

Splitting of a surface plasmon polariton beam by chains of nanoparticles

The operation of a micro-optical beam splitter for surface plasmon polaritons (SPP’s) formed by lined up scatterers is modeled and studied in the framework of a vectorial dipolar approach for multiple SPP scattering by equivalent non-spherical nanoparticles. It is shown that the inclusion of anisotropic polarizability of individual scatterer in the vectorial dipolar model of multiple SPP scattering allows one to obtain, in some cases, quantitative agreement between modeling and experimental results. As an example, we apply this approach to model an SPP beam-splitter formed by a chain of spheroidal particles. The dependencies of the splitting efficiency on the shape of particles, the incidence angle and the waist of an incident SPP Gaussian beam are considered. It is found that the efficiency is very sensitive to the shape of scatterers and the angle of SPP beam incidence. Comparison of numerical results with experimental data shows good agreement with respect to the particle shape and incident angular dependences. PACS 02.70.-c; 71.36.+c; 78.68.+m