高散射介质的偏振光后向扩散散射研究

论文题目: 高散射介质的偏振光后向扩散散射研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 光学工程

作者: 王凌

导师: 冯华君,徐之海,岩井俊昭

关键词: 光散射,多散射,后向扩散散射,偏振光,高散射介质,矢量,模拟,集群介质,分形,傅立叶分析

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 一束偏振光入射到高散射介质,后向扩散散射光会形成特殊的二维空间光强分布,其分布特征与介质的物理性质有关。通过分析高散射介质偏振光后向扩散散射的空间光强分布,可以反推介质的属性特征。高散射介质的偏振光后向扩散散射是研究偏振光多散射的基础手段,该课题的研究对于我们理解偏振光的多散射过程具有特别重要的意义。本文对于高散射介质的偏振光后向扩散散射的理论、计算机模拟和实验都进行了深入的研究和阐述。 第一章介绍了本文课题的研究背景,对高散射介质的偏振光后向扩散散射的研究作了简单的回顾和综述,确定本论文的主要研究内容。 第二章描述了偏振光的电磁场与Stokes矢量之间的关系和Stokes矢量的实际测量方法。简单介绍了单散射和多散射理论,阐述了高散射介质中光的传输理论和Monte Carlo模拟方法。 第三章建立了高散射介质的偏振光后向扩散散射的物理模型。详细讨论了基于非相干性假设的偏振光后向扩散散射的双散射理论和多散射理论,并以此给出了偏振光后向扩散散射有效Mueller矩阵各元素的数学表达式。首次提出了针对有效Mueller矩阵的傅立叶分析方法,实现了对pattern信息的完全提取。 第四章建立了单分散聚苯乙烯微球粒子悬浮液的偏振光后向扩散散射矢量Monte Carlo(VMC)模型,给出了VMC模拟的整个算法流程。在国内首先实现了偏振光在高散射介质中传输的VMC模拟算法,完成了软件的编译工作。对不同直径粒子的悬浮液介质作了模拟,得到了有效Mueller矩阵。利用Mie散射理论讨论了粒子直径对有效Mueller矩阵影响的原因。通过对有效Mueller矩阵元素pattern的傅立叶分析,首次获得了简化后向扩散散射Mueller矩阵。然后又从简化后向扩散散射Mueller矩阵直接重构了有效Mueller矩阵。重构的pattern与直接的VMC模拟结果的完全一致性证明了基于非相干性假设下推导出的有效Mueller矩阵的对称性和相关性是正确的,而傅立叶分析法也能够完全提取有效Mueller矩阵元素panern的信息。 第五章提出了一个高散射介质的偏振光后向扩散散射的新实验装置。在我们的装置

论文目录:

摘要

Abstract

目录

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 研究现状

1.3 论文的组成

1.4 研究成果

第二章 光散射理论与技术

2.1 偏振光

2.1.1 偏振光与Stokes矢量

2.1.2 Stokes矢量的实际测量

2.2 粒子光散射

2.2.1 任意粒子光散射的Stokes-Mueller方程

2.2.2 粒子的消光、散射与吸收

2.2.3 球形粒子散射(Mie散射)理论

2.2.4 粒子光散射的近似理论

2.3 光的多散射

2.3.1 光的多散射简介

2.3.2 传输理论

2.3.3 Monte Carlo模拟

第三章 偏振光的后向扩散散射研究

3.1 后向扩散散射的物理模型

3.2 基于非相干性假设的双散射近似理论

3.3 基于非相干性假设的多散射理论

3.3.1 有效Mueller矩阵

3.3.2 对称关系

3.4 pattern的分析方法

第四章 Monte Carlo模拟

4.1 偏振光后向扩散散射的VMC模拟

4.2 基于Stokes-Mueller方程的VMC模拟

4.2.1 VMC模拟中的坐标系

4.2.2 光子自由程分布函数

4.2.3 Mie散射粒子的散射

4.2.4 随机变量的抽样

4.2.5 VMC模拟的具体实现

4.2.6 有效Mueller矩阵的计算

4.3 有效Mueller矩阵的VMC模拟结果

4.4 简化后向扩散散射Mueller矩阵的计算

第五章 偏振光后向扩散散射实验研究

5.1 后向扩散散射实验系统

5.1.1 实验装置

5.1.2 有效Mueller矩阵的实验测量

5.1.3 散射介质样品的配制

5.2 pattern图像的获取与预处理

5.2.1 图像获取

5.2.2 图像预处理

5.3 粒子直径对线偏振光pattern的影响

5.4 实验系统比较

5.5 影响实验的因素

第六章 多分散介质的偏振光后向扩散散射研究

6.1 多分散高散射介质系统

6.2 理论模型

6.3 VMC模拟

6.4 实验

第七章 集群介质的偏振光后向扩散散射研究

7.1 分形

7.1.1 分形概论

7.1.2 自相似性和分形维数

7.2 粒子的分形集群

7.2.1 粒子的集群特性

7.2.2 球形粒子集群的分形维数

7.3 集群介质偏振光后向扩散散射的VMC模拟

7.3.1 光子自由程分布函数

7.3.2 集群介质有效Mueller矩阵的VMC模拟

第八章 总结与展望

8.1 论文总结

8.2 今后的研究工作

参考文献

作者攻读博士学位期间完成的学术论文

致谢

发布时间: 2005-07-27

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