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群体粒子场激光侧向散射性质研究及建模分析

作　者: 袁兴起
导　师: 陈延如；赵琦
学　校: 南京理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 群体粒子场激光侧向散射微粒线偏振光圆偏振光偏振度 Muller-Stokes矩阵
分类号: O436
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 117次
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内容摘要

随机分布群粒子入射激光复合散射特性研究在现代科学和工程中有着广泛的应用。本文研究了群体粒子场光学侧向散射特性及其数学模型描述。在用相同波长线偏振和圆偏振两种偏振状态的He-Ne激光束入射到一随机分布群粒子场以产生侧向散射光,并测得散射偏振光强的实验基础上,分析得到了群体粒子场激光侧向散射的特性规律,建立了Muller-Stokes算法数学模型来描述其散射特征,并验证了利用该模型得到的群体粒子场激光侧向散射规律与实验结果是相吻合的。围绕着群体粒子场侧向散射光的性质分析,本文开展了一系列研究:设计了用于研究群体粒子场激光侧向散射特性的实验系统及实验方法;从实验上测量了不同偏振态入射光照射下不同直径粒子在不同体积分数浓度时侧向散射光的不同偏振态光强,通过相应的处理获得了散射光强度及其偏振度相对散射角的分布图样,分析得到了散射光强及偏振度相对散射角的变化规律;建立了多粒子散射的Muller-Stokes矩阵描述数学模型,利用模型阐明了群体粒子侧向散射的多种性质特征,验证了该模型得到的群体粒子场激光侧向散射规律与实验结果是相吻合的,从而用Muller-Stokes矩阵实现了对群粒子侧向散射现象的简明化数学表示。用此算法对实验得到的数据进行计算得到的结果表明:散射光强呈轴对称分布;散射光偏振特性的变化及用于表示各种特性的矩阵的元素主要决定于散射粒子的大小;另外,群粒子场侧向散射系数亦随粒子直径的变化而变化明显。这种Muller-Stokes算法把散射场模拟成一个光学系统,对入射偏振光束的散射效果给以简明的描述,给出了垂直于入射光方向的平面上各种散射特征的信息。本文对群粒子场激光侧向散射性质规律的研究结果及建立的群粒子散射数学模型在光散射研究领域尤其是多粒子激光散射的理论及应用方面有一定的价值,在激光散射技术具体应用方面如对糖尿病人血糖浓度的测量,对导弹或火箭羽烟的成分、浓度及其随时间空间的变化情况的测定,对沙尘暴天气进行早期的判断等等也是很有意义的。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
1 绪论  11-27
  1.1 研究背景与意义  11-12
  1.2 散射与介质粒子尺度的关系  12-13
  1.3 几种典型的光散射模型  13-18
    1.3.1 Rayleigh散射  13-14
    1.3.2 Mie理论  14-16
    1.3.3 Brillouin散射  16-17
    1.3.4 Raman散射  17
    1.3.5 其它散射理论  17-18
  1.4 目标光学散射国际国内研究现状分析  18-25
  1.5 本文的主要工作及创新点  25-27
2 散射基础理论及主要处理方法  27-42
  2.1 散射基础理论  27-32
    2.1.1 球形微粒的Mie散射理论  27
    2.1.2 非球形微粒的散射理论  27-28
    2.1.3 散射光与涨落  28-32
  2.2 散射问题基本处理方法  32-41
    2.2.1 双向反射分布函数  32-35
    2.2.2 基尔霍夫(Kirehhoff)分析法  35-37
    2.2.3 微扰法  37
    2.2.4 Kirchhoff方法和微扰法的适用范围  37-38
    2.2.5 Monte Carlo模拟  38-41
  2.3 本章小结  41-42
3 群体粒子散射实验系统方案及原理  42-48
  3.1 实验装置  42-44
  3.2 实验原理  44-46
  3.3 实验步骤与注意事项  46-47
  3.4 本章小结  47-48
4 线偏振光入射群粒子场散射性质研究  48-89
  4.1 实验条件  48
  4.2 线性偏振光入射时总侧向散射光强度性质研究  48-60
    4.2.1 总侧向散射光强度随粒子直径变化的关系  48-53
    4.2.2 总侧向散射光强度随散射场粒子浓度变化的关系  53-56
    4.2.3 总侧向散射光强度随散射场探测深度变化的关系  56-60
  4.3 线性偏振光入射时总侧向散射光偏振度性质分析  60-63
    4.3.1 总侧向散射光偏振度随散射场探测深度变化的关系  60-62
    4.3.2 总侧向散射光偏振度随散射场体积分数浓度变化的关系  62
    4.3.3 总侧向散射光偏振度随介质粒子大小变化的关系  62-63
  4.4 线性偏振光入射时侧向散射水平偏振光强度性质分析  63-75
    4.4.1 侧向散射水平偏振光强度随粒子直径变化的关系  63-68
    4.4.2 侧向散射水平偏振光强度随散射场粒子浓度变化的关系  68-71
    4.4.3 侧向散射水平偏振光强度随散射场探测深度变化的关系  71-75
  4.5 线性偏振光入射时侧向散射水平偏振光偏振度性质分析  75-78
    4.5.1 侧向散射光水平偏振分量偏振度随散射场探测深度变化的关系  75-76
    4.5.2 侧向散射光水平偏振分量偏振度随散射场体积分数浓度变化的关系  76-77
    4.5.3 侧向散射光水平偏振分量偏振度随介质粒子大小变化的关系  77-78
  4.6 线性偏振光入射时侧向散射垂直偏振光强度性质分析  78-85
    4.6.1 侧向散射垂直偏振光强度随粒子直径变化的关系  78-82
    4.6.2 侧向散射垂直偏振光强度随散射场粒子浓度变化的关系  82-84
    4.6.3 侧向散射垂直偏振光强度随散射场探测深度变化的关系  84-85
  4.7 线性偏振光入射时侧向散射垂直偏振光偏振度性质分析  85-88
    4.7.1 侧向散射光垂直偏振分量偏振度随散射场探测深度变化的关系  85-86
    4.7.2 侧向散射光垂直偏振分量偏振度随散射场体积分数浓度变化的关系  86-87
    4.7.3 侧向散射光垂直偏振分量偏振度随介质粒子大小变化的关系  87-88
  4.8 本章小结  88-89
5 圆偏振光入射群粒子场散射性质研究  89-102
  5.1 实验条件  89
  5.2 圆偏振光入射时总侧向散射光强度性质研究  89-92
  5.3 圆偏振光入射时总侧向散射光偏振度性质研究  92-93
  5.4 圆偏振光入射时侧向散射水平偏振光强度性质分析  93-96
  5.5 圆偏振光入射时侧向散射水平偏振光偏振度性质分析  96-97
  5.6 圆偏振光入射时侧向散射垂直偏振光强度性质分析  97-99
  5.7 圆偏振光入射时侧向散射垂直偏振光偏振度性质分析  99-101
  5.8 本章小结  101-102
6 群体粒子散射场激光侧向散射光学系统MULLER-STOKES矩阵模型的建立  102-114
  6.1 偏振光  102-105
    6.1.1 偏振光与Stokes矢量  102-104
    6.1.2 Stokes矢量的实际测量  104-105
  6.2 任意单粒子光散射的Stokes-Mueller方程  105-108
  6.3 群体粒子场目标光学侧向散射的Muller-Stokes矩阵模型建立  108-112
    6.3.1 准Stokes矢量与矩阵元素描述  108-110
    6.3.2 模拟光学系统Muller散射描述矩阵的确定  110-111
    6.3.3 Muller散射描述矩阵模拟光学系统的结果与讨论  111-112
  6.4 本章小结  112-114
7 全文总结及未来工作展望  114-116
  7.1 论文总结  114
  7.2 今后的研究工作  114-116
致谢  116-117
参考文献  117-126
攻读博士期间发表的论文及著作  126-127
附录A:实验数据一  127-147
附录B:实验数据二  147-162

群体粒子场激光侧向散射性质研究及建模分析

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