混浊介质多光子激发荧光显微成像的蒙特卡罗模拟

将蒙特卡罗方法与几何光线追踪技术相结合用于研究样品混浊特性对多光子激发蒌光显微成像的影响。推导了模拟多层样品显微成像的数学模型,给出了用程序框图表示的基本仿真系统骨架,对传统蒙特卡罗方法的改进有效地增强了对聚焦光束的模拟能力,初步的模拟结果说明了混浊介质散射特性对显微成像的显著影响。     

相干高斯光束的符合成像和干涉

理论上研究分析了相干高斯光束的符合成像和干涉.导出了相干高斯光束的符合成像公式和符合干涉条纹公式,从这些公式可以看出符合成像和干涉是由于两条光路相应的汇聚投射引起的.符合成像和干涉条纹的质量及能见度可以同时很好.我们的结果表明纠缠光子对和相干高斯光束的符合成像及干涉的物理本质是不同的,相干高斯光束的符合成像和干涉的物理本质是光强的点对点投射,而纠缠光子对的符合成像和干涉的物理本质是双光子的振幅关联.     

基于快速蒙特卡罗的散射介质光学参量干涉测量方法研究

提出了一种散射介质光学参量的干涉测量方法. 在蒙特卡罗数值模拟的基础上引入聚焦高斯光源模型和基于比例缩放的压缩算法, 实现了对光子后向散射分布和干涉特性的快速模拟. 利用计算数据训练了前向人工神经网络进行了介质光学参量的反向求解. 实验中以脂肪乳注射剂和生物染色剂印度墨水组成的悬混液为样本, 通过光学干涉系统测量得到了后向散射光依赖于深度的干涉光强分布, 并对其中散射和吸收系数进行了反向计算. 所得结果能够正确反映散射和吸收系数与散射和吸收物质浓度之间的线性关系, 验证了该方法的可行性.     

基于快速蒙特卡罗的散射介质光学参量干涉测量方法研究

提出了一种散射介质光学参量的干涉测量方法.在蒙特卡罗数值模拟的基础上引入聚焦高斯光源模型和基于比例缩放的压缩算法,实现了对光子后向散射分布和干涉特性的快速模拟.利用计算数据训练了前向人工神经网络进行了介质光学参量的反向求解.实验中以脂肪乳注射剂和生物染色剂印度墨水组成的悬混液为样本,通过光学干涉系统测量得到了后向散射光依赖于深度的干涉光强分布,并对其中散射和吸收系数进行了反向计算.所得结果能够正确反映散射和吸收系数与散射和吸收物质浓度之间的线性关系,验证了该方法的可行性.     

高斯光束在双层云中传输的蒙特卡罗模拟

基于辐射传输理论, 利用蒙特卡罗方法模拟了无限窄(冲击函数)准直光束入射到典型水云以及冰水双层云时的后向散射特性, 进而将得到的冲击响应与高斯光束卷积, 得到高斯光束在云层中传输的多次散射特性. 文中给出了两种波束入射时水云以及冰水双层云的反射函数随径向r和天顶角α的变化关系, 并给出了光强在云层内部的二维分布图. 计算结果表明, 高斯光束入射时, 云层反射函数的特点与无限窄准直光束入射时有较大区别. 因此在利用激光雷达进行云层探测时需要考虑激光的散斑, 文中的方法可以为此提供理论依据.     

光学相干层析信号的模拟分析与计算

对传统的模拟介质散射响应函数的蒙特卡罗算法的计算过程进行了改进，提出光子不可分割的假设，这样可以避免人为选定光子被吸收阈值的不确定性；同时采用双曲线法模拟入射高斯光束，解决了对表面为非平面介质的传输信号进行模拟的问题.通过对盖玻片（平面）与眼角膜（曲面）的光学相干层析探测信号及层析图的数值模拟，并与相应实验结果进行比较，证实了该方法与假设的可行性. 关键词： 光学相干层析 蒙特卡罗法模拟 散射     

混浊介质多光子激发显微成像的快速模型

将二维点扩散函数（PSF）和蒙特卡罗方法相结合,引入了一种研究混浊介质显微成像的快速仿真模型,将该模型用于混浊介质的多光子激发（MPE）显微成像研究,极大地提高了模拟效率,与直接蒙特卡罗方法计算结果的比较证实了该方法的正确性和有效性,此外,一个计算实例说明了混混介质的多光子激发显微成像具有比共焦荧光显微成像更优的横向分辨率。     

高斯光束的数值模拟新方法

基于高斯光束的单叶双曲面特征,给出了一种新的模拟高斯光束的数值方法.该方法将高斯光束视为由无数个共轴单叶双曲面构成的双曲线体,由束腰截面发射的光子传播方向是在经过该光子发射点的双曲面内两条直母线中等概率选择.这不仅符合光子沿直线传播,而且意味着大量光子的“平均”传播方向与相应高斯光束的波印廷矢量相同.数值模拟结果表明：该方法可高准确度地模拟高斯光束的几何构形、光强分布、光子的光程分布和波前曲率半径,而且模拟效率与现有的方法相近.     

非球面系统中高斯光束传输的数值计算

高斯光束的理论公式从整体上描述了光束的传输特性,但并没有描述光束内每一光子的传播行为。基于高斯光束的单叶双曲面特性,建立了一个新的高斯光束光子传输模型。该模型将高斯光束视为由无数个共轴单叶双曲面构成的双曲线体,光子传播方向是在过该光子初始发射点的双曲面的两条直母线中等概率选择。基于该模型,通过计算大量光子经光学系统的传播轨迹可获得高斯光束的几何构形、光强分布、光子光程分布及其传播方向。对实际非球面光学系统的计算结果充分验证了该方法可全面、准确地模拟高斯光束的传输特性,且数值计算效率高。     

平顶高斯光束与超高斯光束传输特性的比较研究

对平顶高斯光束与超高斯光束的传输特性作了研究和比较,并给出了典型的数值计算例．所得的主要结论是有相同M²因子和束宽的平顶高斯光束与超高斯光束在通过光学系统时,具有非常相似的包括光强分布和光阑衍射效应在内的传输变换特性． 关键词：     

高斯-谢尔模光束在大气湍流中传输的相干特性研究

文章分析了高斯-谢尔光束在大气湍流中传输时相干长度的变化, 并与真空传输做比较, 真空传输相干长度的变化只与光源参数有关, 大气湍流中传输相干长度的变化受光源参数和湍流的共同影响. 真空传输光束扩展造成相干长度增大; 大气湍流中, 传输距离较短时, 相干长度由于光源扩展而增加, 当传输距离较大时, 湍流效应增强引起相干长度下降. 因此, 单纯从相干长度方面分析大气湍流带来的影响不够完备. 为排除光源扩展影响, 利用相干长度与光斑尺度的比值进行分析, 发现大气湍流会造成比值的下降. 在数值仿真的基础上对上述结果给出了解释. 关键词： 部分相干 大气湍流 高斯-谢尔模 光束扩展     

扩束准直光学系统中光学元件失调对高斯光束传输变换的影响分析

基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分公式, 以高斯光束为激光束模型,推导了激光光束通过失调扩束准直光学系统的传输公式,分析了光学元件失调对扩束准直光学系统输出光束传输特性的影响,并在此基础上进行了仿真。实验结果表明,高斯光束通过失调扩束准直光学系统时,出射光束变为偏心高斯光束,光学元件失调程度越大,输出光束越偏离光轴,光束质量越差。在同样的失调下,长焦距光学元件对输出光束影响更大,因此在激光扩束准直光学系统中,调整长焦距光学元件更为重要。     

正弦高斯涡旋光束的远场传输特性

根据角谱法和稳相法,推导了正弦高斯涡旋光束TE波和TM波在远场传输和能流密度的解析表达式,研究了正弦高斯涡旋光束在远场中的相位奇点和能流密度分布.结果表明:正弦高斯涡旋光束的远场特性与高斯光束的束腰宽度、涡旋离轴量、坐标位置以及与正弦项相关的参量有关.在一定条件下,远场中会出现相位奇点和能流密度黑核;当控制参量改变时,相位奇点和黑核的位置会发生移动,但原点处不受影响.相位奇点和能流密度的对称性主要受涡旋离轴量影响,当涡旋离轴量为0时,相位奇点和能流密度分布关于原点对称;当涡旋离轴量改变时,相位奇点和能流密度分布呈现出非对称性.     

非Kolmogorov湍流相位屏仿真及对光束传输模拟的影响

采用正态分布模型来描述传播路径上功率谱幂值的非均匀性,利用功率谱反演法构建了基于等效结构常数的非Kolmogorov湍流相位屏,并利用多重相位屏法进行了高斯光束在均匀各向同性湍流与非Kolmogorov湍流两种模型下的传输模拟。通过观察模拟光束的光强均匀度、光束漂移以及闪烁指数等,研究了非Kolmogorov湍流对光束传输模拟的影响。结果发现,当光束通过单个非Kolmogorov相位屏时,光强最大值与光强均匀度随着幂值先增大后减小,光束漂移随幂值在一定范围内单调变化。当光束通过多重相位屏时,发现模拟光束的光强闪烁指数会受到相位屏数量以及湍流模型的影响,当相位屏数量较多时,均匀各向同性湍流模型下模拟得到的光强闪烁指数会大于非K湍流模型下的结果,且非K湍流模拟的光束漂移与均匀各项同性湍流模拟得到的光束漂移的相对误差会随着相位屏数量增多而趋于0。     

非Kolmogorov湍流相位屏仿真及对光束传输模拟的影响

采用正态分布模型来描述传播路径上功率谱幂值的非均匀性,利用功率谱反演法构建了基于等效结构常数的非Kolmogorov湍流相位屏,并利用多重相位屏法进行了高斯光束在均匀各向同性湍流与非Kolmogorov湍流两种模型下的传输模拟。通过观察模拟光束的光强均匀度、光束漂移以及闪烁指数等,研究了非Kolmogorov湍流对光束传输模拟的影响。结果发现,当光束通过单个非Kolmogorov相位屏时,光强最大值与光强均匀度随着幂值先增大后减小,光束漂移随幂值在一定范围内单调变化。当光束通过多重相位屏时,发现模拟光束的光强闪烁指数会受到相位屏数量以及湍流模型的影响,当相位屏数量较多时,均匀各向同性湍流模型下模拟得到的光强闪烁指数会大于非K湍流模型下的结果,且非K湍流模拟的光束漂移与均匀各项同性湍流模拟得到的光束漂移的相对误差会随着相位屏数量增多而趋于0。     

混浊介质显微成像中吸收作用的门机制

采用蒙特卡罗方法研究了混浊介质的吸收特性对共焦荧光显微成像的影响。结果表明,混浊介质对光的吸收作用增强了成像的分辨率,同时降低成像强度。因此,混浊介质样品对光的吸收作用是样品本身所固有的分辨散射光的门机制。     

光子晶体光纤布拉格光栅传输谱特性的分析

研究光子晶体光纤中光纤光栅的传输谱特性对于研制基于光子晶体光纤的光纤光栅器件有着重要的意义。结合耦合模理论和光束传输相关函数方法,对一种典型光子晶体光纤中的布拉格光栅(FBG)传输谱进行了理论分析。比较了光子晶体光纤中布拉格光栅与常规布拉格光栅的传输谱。数值分析了光纤截面结构变化对于光栅传输谱的影响,并给出这种影响的定性解释。计算结果显示,与常规光纤光栅相比,包层模共振引起的损耗峰与正反向纤芯模耦合引起的损耗峰可以相比拟,而包层模共振的间隔也比常规光纤中光纤光栅的包层模共振间隔要大。同时给出了晶体光纤截面上空气孔的占空比,空气孔的排布层数对于传输谱影响的规律。     

光在苹果组织中传输的光谱特性

用Monte-Carlo方法模拟研究了激光波长632 nm与750 nm的高斯光束在苹果组织中传输的吸收、散射光谱特性。结果表明：高斯光束特殊的能量分布特性对激光在苹果组织中的传播有重要的影响,苹果组织对750 nm激光的反射、吸收、透射都较低,有更多的光子在组织内部与组织相作用,能够更清楚的反映组织内部信息。因此,在生物组织中近红外光波的传输性比较好,便于应用于研究生物组织。     

非视线紫外通信大气传输特性的蒙特卡罗模拟

基于蒙特卡罗方法建立了紫外光非视线传输多次散射模型,利用单次散射近似法和实验方法验证了模型的有效性,并利用该模型完成了非视线紫外光通信大气传输特性的模拟.模拟时光波长取紫外光通信的最佳工作波段(250 nm附近),分析了不同传输距离下能见度、风、雨、雾等参量对系统能量透射比的影响.结果指出,系统能量透射比随传输距离增大而剧烈减小,在天气较差传输条件下能量衰减得更快;风力大小的变化对通信系统影响不大.较近距离通信传输时(一两百米),通信系统受天气条件的影响较小.     

部分相干双曲余弦-高斯光束的传输特性和空间整形

 通过加入高斯项的空间相干度，引入部分相干双曲余弦-高斯（ChG）光束，推导出部分相干ChG光束通过近轴ABCD光学系统传输的解析表达式，并用以研究其传输特性和空间整形。结果表明，部分相干ChG光束的光强分布不能保持传输不变性，其光强分布不仅与传输距离和离心参数有关，而且还与空间相干参数有关。在传输距离固定时，适当改变部分相干ChG 光束的离心参数和空间相干参数，可实现光束的空间整形。光束质量因子随空间相干性的增大和离心参数的减小而减小。高斯-谢尔模型光束和完全相干ChG光束可作为部分相干ChG光束的特例处理。