1 国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037
2 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
3 国防科技大学，安徽 合肥 230037
针对生物粒子凝聚体单体形状和光学特性的复杂多变，构建了5种不同单体形状的生物粒子凝聚体空间结构，并用离散偶极子近似方法计算了生物粒子凝聚体的消光特性参数，分析了不同单体形状生物粒子凝聚体的消光特性差异。计算结果表明：非球形生物粒子凝聚体在将其单体形状等效为球形时，平均质量消光系数的相对偏差绝对值在6%以内；不同单体形状生物粒子凝聚体对光的散射能力不同是消光特性存在差异的主要表现，且通常情况下单体形状越偏离球形，相对偏差越大，因此，由不同单体形状引起的消光特性的差异不应被忽略。此项工作可应用于准确评估和优化生物粒子材料的消光性能。
生物粒子材料 单体形状 凝聚体 红外 消光特性
1 国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037
2 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
3 国防科技大学，安徽 合肥 230037
生物材料作为一种有别于传统无机消光材料的新型烟幕介质，悬浮于空气中，以烟幕的形式存在，通过对光的吸收和散射作用改变光波的传输特性。本文根据生物材料的复折射率特点，介绍了生物材料的吸收和散射特性，概括了生物材料单粒子、单分散凝聚粒子和多分散凝聚粒子的消光特性的表征方式，分析了影响生物材料消光特性的因素，总结了生物材料消光性能的测试方法。最后，本文提出了生物材料在复杂空间结构模拟精确化、消光特性影响因素分析多元性、消光特性测试标准化方面的发展趋势，以期为新型消光材料的制备和改进等提供有益参考。
材料 烟幕 消光特性 凝聚粒子 复折射率
Xinyu Wang 1,2,3Yihua Hu 1,2,3,*Xing Yang 1,2,3,**Youlin Gu 1,2,3[ ... ]Peng Wang 4
Author Affiliations
Abstract
1 Electronic Countermeasure Institute, National University of Defense Technology, Hefei 230037, China
2 State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology, National University of Defense Technology, Hefei 230037, China
3 Advanced Laser Technology Laboratory of Anhui Province, Hefei 230037, China
4 Key Laboratory of High Magnetic Field and Ion Beam Physical Biology, Hefei Institute of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230037, China
Bioaerosols exhibit significant broadband extinction performance and have vital impacts on climate change, optical detection, communication, disease transmission, and the development of optical attenuation materials. Microbial spores and microbial hyphae represent two primary forms of bioaerosol particles. However, a comprehensive investigation and comparison of their optical properties have not been conducted yet. In this paper, the spectra of spores and hyphae were tested, and the absorption peaks, component contents, and protein structural differences were compared. Accurate structural models were established, and the optical attenuation parameters were calculated. Aerosol chamber experiments were conducted to verify the optical attenuation performance of microbial spores and hyphae in the mid-infrared and far-infrared spectral bands. Results demonstrate that selecting spores and hyphae can significantly reduce the average transmittance from 21.2% to 6.4% in the mid-infrared band and from 31.3% to 19.6% in the far-infrared band within three minutes. The conclusions have significant implications for the selection of high-performance microbial optical attenuation materials as well as for the rapid detection of bioaerosol types in research on climate change and the spread of pathogenic aerosols.
bioaerosol optical properties optical materials light-matter interactions Fourier transform infrared spectra Chinese Optics Letters
2023, 21(9): 090006
王新宇 1,2,3胡以华 1,2,3,*杨星 1,2,3,**顾有林 1,2,3,***[ ... ]王鹏 4
1 国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037
2 国防科技大学先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
3 国防科技大学电子制约技术安徽省重点实验室，安徽 合肥 230037
4 中国科学院合肥物质科学研究院中国科学院强磁场与离子束物理生物学重点实验室，安徽 合肥 230037
通过建立具有丰富结构细节的生物颗粒形态模型，利用Kramers-Kronig算法、离散偶极子近似方法和蒙特卡罗算法计算了冷冻干燥和热风烘干两种干燥方法对BB0819生物气溶胶消光性能的影响，并通过傅里叶变换和红外光谱方法分析了由两种干燥方法所得孢子形成的生物气溶胶内部组成和蛋白质结构的差异，进一步解释了消光性能变化的原因。通过气溶胶室实验证明了仿真结果的可靠性，实验结果显示：在中红外波段，选用冷冻干燥孢子所形成的生物气溶胶可在3 min内将平均透过率从11.95%降至9.14%；在远红外波段，选用热风烘干孢子所形成的生物气溶胶可在3 min内将平均透过率从34.38%降至26.03%。研究结果阐明了干燥方法对人工制备生物气溶胶消光性能的影响，为在制备过程中提升生物气溶胶消光性能提供了有效参考。
材料 生物气溶胶 消光性能 散射 吸收 干燥方法 光学学报
2023, 43(17): 1716002
红外与激光工程
2023, 52(6): 20230243
1 国防科技大学 脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037
2 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
3 国防科技大学，安徽 合肥 230037
气溶胶沉降扩散主要研究气溶胶粒子在大气中的运动状态、浓度迁移、表面沉积过程。表征物理量主要包括气溶胶粒子沉降通量、沉降速度、浓度分布、扩散速度等。开展相关研究可以为气溶胶生成方式优化、消光效果评估与预测等提供科学依据。文中概括了三种气溶胶生成方式，分析了气溶胶粒子在大气中沉降扩散过程机理，阐述了气溶胶沉降与扩散特性参量计算、仿真模拟和试验测定方法。结合目前气溶胶沉降扩散研究面临的挑战，对气溶胶沉降扩散理论分析、数值模拟、试验研究与综合运用进行了展望。
气溶胶 沉降 扩散 仿真模型 计算方法 aerosol deposition diffusion simulation model calculation method 红外与激光工程
2022, 51(7): 20220313
1 国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室, 安徽 合肥 230037
2 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
基于弹道粒子-团簇模型,模拟了多分散生物凝聚粒子模型,采用离散偶极子近似方法计算了具有不同孔隙率、原始颗粒数量、粒径分布方式的多分散生物凝聚粒子模型的消光系数,分析了孔隙率、原始颗粒数量和粒径分布对凝聚粒子消光特性的影响。结果表明:多分散生物凝聚粒子的消光系数随着孔隙率的增大而减小;凝聚粒子包含的原始颗粒数量越多,粒径分布的均值越大,消光系数越大;粒径分布方差对消光系数没有明显的影响。本研究结果为全面理解生物凝聚粒子的消光性能以及生物消光材料的制备提供了参考。通过改变生物凝聚粒子的孔隙率、原始颗粒数量和粒径分布可以提高生物材料的消光性能。
材料 凝聚粒子 离散偶极子近似 消光系数 影响因素
1 国防科技大学 脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥230037
2 国防科技大学 安徽省电子制约技术重点实验室，安徽 合肥230037
3 中国科学院合肥物质科学研究院 离子束生物工程重点实验室，安徽 合肥 230001
微生物气溶胶作为大气气溶胶的重要组成部分，可以通过吸收或散射影响大气辐射特性。当前对于微生物气溶胶光学特性的研究，多局限于单波段或单种质，无法归纳出微生物气溶胶光学特性的一般性和特殊性，不利于全面分析微生物气溶胶对大气辐射特性的影响。测量了三种真核孢子微生物和三种原核杆菌微生物材料在0.25~15 μm波段的光谱反射率，结合K-K算法计算复折射率m，并对微生物FTIR光谱进行分析，比较了真核与原核微生物0.25~15 μm波段光学特性的相同与相异之处。研究结果可以帮助全面理解和定量计算大气辐射特性，为微生物气溶胶遥感探测和类型鉴别提供理论支撑，为开发新型功能性材料提供了新思路。
生物气溶胶 复折射率 真核微生物 原核微生物 bioaerosol complex refractive index eukaryotic microorganism prokaryotic microorganism 红外与激光工程
2019, 48(10): 1017004
1 脉冲功率激光技术国家重点实验室(国防科技大学), 安徽 合肥 230037
2 电子制约技术安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230037
针对生物材料FANS 233D, 采用显微红外光谱仪测定了材料在2.5~15 μm波段的反射光谱, 结合Kramers-Kronig(K-K)关系计算了生物材料8~14 μm波段的复折射率。利用团簇-团簇模型模拟了不同分形维数的生物凝聚粒子的空间结构, 通过离散偶极子近似法计算了具有分形特征的生物凝聚粒子在远红外波段的消光参量, 并求出不同条件下生物凝聚粒子的质量消光系数。结果表明: 在远红外波段内,相同原始微粒数生物凝聚粒子的分形维数越大, 其消光性能越好, 当生物凝聚粒子的原始微粒数为50, 分形维数为2.00, 质量密度为1 120 kg/m3时, 质量消光系数最大可达到2.262 m2/g, 且凝聚粒子的质量消光系数随着原始微粒半径的增大而缓慢增大。
分形维数 生物凝聚粒子 消光特性 质量消光系数 fractal dimension biological aggregated particles extinction characteristics mass extinction coefficient 红外与激光工程
2019, 48(7): 0704002
1 脉冲功率激光技术国家重点实验室(国防科技大学), 安徽 合肥 230037
2 电子制约技术安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230037
生物材料具有生产成本低、粒径分布广、环保无污染等优点, 可作为一种新型消光材料。为了更好地研究生物材料的大气悬浮沉降特性, 针对制备的球状生物材料FANS 233D, 根据斯托克斯沉降规律及粒子数加权平均方法计算其沉降速度。利用团簇-团簇凝聚模型模拟了该生物凝聚粒子的空间结构, 结合牛顿第二定律研究了不同空间结构凝聚粒子的沉降速度, 并通过凝聚粒子的孔隙率、分形维数对其结构特征加以分析。结果表明: 包含不同原始微粒数的凝聚粒子, 其平均沉降速度随原始微粒数的增大而增大; 包含相同原始微粒数的凝聚粒子, 其沉降速度同该凝聚粒子的孔隙率与分形维数有关。针对生物消光材料大气悬浮沉降特性的研究将为其实际应用提供理论基础。
生物消光材料 沉降速度 凝聚粒子 团簇-团簇模型 biological extinction material settling velocity aggregated particles cluster-cluster model 红外与激光工程
2019, 48(5): 0521003
