光在高散射媒质中传输特性的数值模拟

论文摘要

利用低相干动态光散射技术研究光在高散射媒质中的传输特性,在实验上可通过低相干干涉计对散射光的测量得到可分割光程的背散射光的功率谱。然而,与之相对应的解析理论只有适用于单散射领域的单散射理论以及适用于充分复散射领域的扩散波光谱理论。由于复散射的复杂性,对于介于两者之间的复散射领域到目前为止还没有一个有效的理论解析方法。为研究光子在高散射媒质中的传输特性,本文将高散射媒质等效为离散的球形散射体集合。在Monte Carlo方法的基础上,提出一种新的椭圆算法来确定高散射媒质中散射点的分布。根据Mie散射理论和光子辐射输运方程,结合模拟解析得到的散射点的分布,得到不同粒径、不同光程下光子散射次数的分布以及不同散射阶数下的散射光强分布,从而实现光子在高散射媒质中不同区域的动态传输特性的数值解析。通过数值模拟可得：在短光程区域,主要以单散射为主,复散射的影响很小；随着光程的增加,复散射的影响越来越重要,当光程足够大时以复散射为主。在单散射区域和扩散散射区域分别与单散射理论预测和DwS理论预测及相应区域的实验结果都符合的比较好；在单散射和扩散散射的中间区域,与实验结果比较吻合。数值解析结果表明光子在高散射媒质中的传输过程本质上是光子的复散射过程,这种数值解析方法能有效对高散射媒质中光子从单散射区域到复散射到扩散散射区域的全光程的动态传输特性进行解析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外的研究进展
• 1.3 动态光散射
• 1.4 本论文的研究内容及方法
• 1.4.1 本论文的研究内容
• 1.4.2 本论文的研究方法
• 1.5 本章小结
• 第二章 单球形粒子的散射理论
• 2.1 光的散射现象
• 2.2 光的散射的分类及其近似理论
• 2.2.1 光散射的分类
• 2.2.2 粒子散射的近似理论
• 2.3 Mie散射理论
• 2.4 单球粒子的散射
• 2.4.1 单球粒子的散射理论
• 2.4.2 Mie散射系数的讨论
• 2.4.3 单球粒子的散射光强分布
• 2.4.4 相函数
• 2.5 本章小结
• 第三章 光在高散射介质中的传输理论
• 3.1 引言
• 3.2 光的复散射
• 3.3 光子在高散射介质中的传输理论
• 3.3.1 解析理论
• 3.3.2 输运理论
• 3.4 本章小结
• 第四章 散射过程的蒙特卡洛模拟
• 4.1 引言
• 4.2 蒙特卡罗方法
• 4.2.1 蒙特卡罗方法处理问题的原理及步骤
• 4.2.2 简单蒙特卡洛抽样方法
• 4.3 模型的建立
• 4.3.1 光子在媒质中传输的光程和相位变化
• 4.3.2 平均自由程和传输平均自由程
• 4.4 光子在高散射媒质中传输过程的模拟
• 4.5 散射光强的计算
• 4.6 自相关函数的求解
• 4.6.1 自相关函数的定义
• 4.6.2 散射场的自相关函数
• 4.7 椭圆算法确定散射点的分布格局
• 4.8 Monte-Carlo数值计算
• 4.9 本章小结
• 第五章 数值模拟结果及分析
• 5.1 引言
• 5.2 散射点的分布
• 5.3 数值模拟结果及分析
• 5.3.1 散射阶数及其光强随着光程的分布
• 5.3.2 各阶散射事件光程的分布
• 5.3.3 动态散射光能谱的实验及理论分析
• 5.3.4 散射光能谱和谱线宽度的模拟结果
• 5.3.5 振幅随着光程的变化
• 5.3.6 模拟结果与实验结果和理论预测的比较
• 5.3.7 高散射媒质中功率谱的推导
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果及参与研究课题