1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院大气光学重点实验室,安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
采用OPAC (Optical Properties of Aerosols and Clouds) 模型提供的沙尘粒子谱分布和复折射率参数，结合多个入射波长，对群体沙尘气溶胶粒子的退偏振比进行了数值模拟计算。计算获得1064 nm、532 nm和355 nm入射波长下，不同轴比超椭球模型的沙尘气溶胶粒子群体的退偏振比分别为0.317，0.397和0.446，其中1064 nm波长的仿真结果与实际观测结果一致性最好，其次是532 nm波长的仿真结果，355 nm波长的仿真结果和实际观测结果有较大差异，其可能原因为采用了相同数目偶极子导致计算误差增大。本仿真研究中建立的非球形粒子散射模型和数值计算方法，为深入理解沙尘气溶胶光散射特性和研制多波长偏振激光雷达提供了理论基础。同时，多波长偏振探测也为气溶胶混合态和污染型气溶胶生成机理研究提供了重要的技术手段。
非球形粒子 超椭球模型 沙尘气溶胶 多波长 退偏振比 non-spherical particle super-ellipsoid model dust aerosol multi-wavelength depolarization ratio 大气与环境光学学报
2023, 18(5): 458
1 湖南理工学院物理与电子科学学院，湖南 岳阳 414006
2 湖南理工学院信息光子学与空间光通信湖南省重点实验室，湖南 岳阳 414006
3 湖南理工学院化学化工学院，湖南 岳阳 414006
4 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
偏振光衍射成像技术可以提供丰富的与细胞结构及组成成分相关的信息，在生物细胞无损检测领域具有重要的研究和应用价值。本文对酵母菌结构特征参数与其偏振衍射特征之间的定量关系进行了深入分析，分析结果表明：酵母菌单体短轴尺寸与偏振衍射条纹空间频率之间存在定量关系，基于偏振衍射实验测量图像可以实现酵母菌单体短轴尺寸分布的快速统计，并且酵母菌单体长短轴之比与退偏系数之间成高斯线性相关（R2=0.9986）。此外，结合偏振衍射图像纹理特征与支持向量机聚类模型可以实现酵母菌发芽率的快速统计，准确率为98.1%。利用多元线性回归模型可以预测出酵母菌母体和芽体的短轴比，模型调整后的决定系数为0.86。本研究结果可为基于偏振衍射特征的细胞结构参数反演研究提供借鉴。
生物光学 非球形生物细胞 偏振光散射 衍射成像 定量分析 中国激光
2023, 50(21): 2107110
华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
动态光散射技术在微米与亚微米级颗粒系粒径分析领域中具有广泛应用，但缺乏非球形颗粒系粒径分布（PSD）的反演模型和算法，限制了其在生物医疗等领域中的应用。基于机器学习方法，设计了基于广义回归神经网络（GRNN）的PSD反演模型和算法，可应用于多角度动态光散射法的粒径分析场景中。以生物医疗领域中的双凹圆饼形和椭球形血红细胞作为典型的非球形颗粒物模型，通过仿真实验测试了所设计的算法。实验结果表明，与传统的正则化Tikhonov算法相比，所设计的反演算法粒径分析准确性更好且耗时更短。对多角度动态光散射法中的散射角度数量进行了仿真实验。结果表明，仅使用2个散射角度处获得的数据依然能实现非球形颗粒系粒径分布的准确反演。
散射 多角度动态光散射 颗粒系粒径分布 广义回归神经网络 非球形颗粒分析
1 湖南大学土木工程学院，绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室，长沙 410082
2 湖南省绿色先进土木工程材料国际科技创新合作基地，长沙 410082
水泥水化是十分复杂的物理与化学反应过程，这一过程直接决定了硬化水泥浆体的微观结构和宏观性能。传统的实验方法普遍存在耗时费力、成本高等不足。利用计算机模拟来阐明水泥水化和微结构演变机制已成为当前的研究热点。首先介绍了水泥水化模型的发展演变过程，并对比分析了不同模型的优缺点。然后，结合水泥水化模拟的最新研究进展，着重介绍了非球形水泥颗粒的水化模型、水化硅酸钙凝胶纳米尺度的研究现状。最后，基于相关模型的应用情况，探讨了矿物掺合料对水泥浆体水化过程和微观结构的影响，并对水泥基材料的宏观性能(如介质传输、氯离子扩散和微裂纹扩展)进行了预测。
计算机模拟 水泥基材料 非球形颗粒 水化硅酸钙 computer simulation cementitious materials non-spherical particles calcium silicate hydrate
1 河南工业大学 信息科学与工程学院，河南 郑州 450001
2 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
灰霾期间硫酸盐与沙尘矿物颗粒表面经过系列化学反应形成复杂的混合状态，为气溶胶光学性质模拟带来很大困难。因此，厘清硫酸盐壳对沙尘矿物颗粒光学特性的影响机制具有重要意义。文中根据灰霾期间硫酸盐与沙尘矿物颗粒反应过程中的混合结构变化，建立了沙尘-硫酸盐颗粒的核壳椭球结构模型。采用T矩阵方法，研究了四波段条件（0.44、0.675、0.87、1.02 μm）下，混合比对单分散系沙尘-硫酸盐粒子光学特性的影响。结果表明：混合比对沙尘-硫酸盐粒子光学特性的影响主要在Mie散射区，在瑞利散射区，混合比对粒子光学特性影响不大。同时研究结果还表明，当混合比小于0.3时，硫酸盐壳在粒子散射特性中占主导地位；当混合比大于0.7时，粒子散射特性主要受沙尘核的影响；在此区间内，粒子散射特性由硫酸盐与沙尘共同影响，并会出现强于（或弱于）任何一种纯颗粒物的现象。该研究对理解灰霾老化期间单颗粒气溶胶混合结构及其光学特性具有重要意义。
灰霾 沙尘 硫酸盐 非球形粒子 混合比 光学特性 haze dust sulfate non-spherical particle mixing ratio optical properties 红外与激光工程
2021, 50(11): 20210052
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230001
2 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
3 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
粒子光散射在众多科学领域有着极其重要的作用, 早期关于粒子光散射的计算大多基于球形粒子假设。但粒子的形状通常并不是完美的球形, 有些粒子还会聚集在一起, 使得外形结构变得更加复杂。Lorentz-Mie 散射理论通常用来计算球形粒子散射, 对于非球形和复杂结构粒子的散射相函数计算则会带来较大偏差。此外, 球形粒子假设对于退偏振效应也无法进行有效的分析。随着计算机算力的提升和算法的改进, 非球形粒子的散射问题除了有限的观测实验研究外, 大多采用数值计算的方法。综述了非球形粒子散射的数值计算方法, 分析了各自的优缺点, 并介绍了非球形粒子光散射实验室测量方法, 以及其在光学、地球物理学、遥感科学、天体物理学、工程学、医学和生物学等领域中的应用。
物理光学 非球形粒子散射 T 矩阵法 离散偶极子近似法 分离变量法 physical optics non-spherical particle scattering T matrix discrete dipole approximation method separation of variables method
1 江西理工大学理学院, 江西 赣州 341000
2 内华达大学拉斯维加斯分校机械工程系, 美国 拉斯维加斯 89154
偏振光在浑浊介质中传输的偏振特性的研究对实现各类偏振光技术具有重要意义。建立一种非球形粒子介质模型,并采用T矩阵法和矢量蒙特卡罗模拟相结合的方法,计算分析含不同非球形粒子的介质中的偏振光经过多次散射形成的后向散射光的偏振特性。按照介质所含非球形粒子的尺寸分为瑞利散射粒子介质和米氏散射粒子介质。结果表明:瑞利散射粒子介质中,不同粒子形态对线偏振光和圆偏振光的后向散射光的偏振特性的影响不显著,线偏振光保偏能力优于圆偏振光,线偏振方向得到保持,而圆偏振光旋性发生改变;米氏散射粒子介质中,不同粒子形态对后向散射光的偏振特性有显著影响,光学厚度大时,各介质中的圆偏振光保偏能力优于线偏振光,厚度小时线偏振光的保偏能力优于圆偏振光。此外,粒子的形态对偏振光后向散射光偏振度空间分布及光强空间分布均有显著影响。
散射 非球形 矢量蒙特卡罗 T矩阵法 偏振
