1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
为进一步研究高斯激光束在水下通信与信息探测中的应用和在不同海水环境中传输过程的特性，以海水中最常见的陆源悬浮泥沙粒子为例，将米氏（Mie）散射理论与蒙特卡罗（Monte Carlo）方法相结合建立含有悬浮物海水中波长为520 nm的高斯激光传输模型，研究了特定直径和密度的粒子群对激光传输的影响。分析了不同探测距离下高斯激光传输模型的归一化接收功率随激光初始发散角的变化。研究结果表明：1）通过改变米氏散射模型中的悬浮泥沙粒子的直径和密度，从而改变仿真中设置的消光系数、散射系数和不对称因子，探测靶面的接收功率随散射体直径、密度和传输距离增加呈指数级减小；2）在一定范围内，初始发散角的变化不会影响接收面的接收功率，并且这种范围随着散射系数以及传输距离的增大而减小。所提的研究方法为进一步实际分析含复杂颗粒群（悬浮气泡、浮游藻类、悬浮泥沙）海水中高斯激光传输特性变化奠定理论基础，可为相关的工程估算提供参考。
米氏散射 蒙特卡罗法 高斯激光水下传输 不对称因子 激光与光电子学进展
2024, 61(9): 0901001
1 浙江省气象科学研究所, 浙江 杭州 310008
2 安徽工业大学数理学院应用物理系, 安徽 马鞍山 243002
污染物区域间输送是大气环境研究的重点和难点。利用2012―2015年间浙江省污染程度较高的霾天气过程激光雷达观测数据，根据Mie散射理论和Fernald反演方法计算污染物垂直浓度，开展了高影响霾天气区域间污染物输送沉降特征定量研究。结果表明：(1) 浙江省高影响霾天气多发生于高压前部转高压控制的情况，高压前部利于外来污染物输入，而高压控制利于本地污染物累积；(2) 不同过程及同一过程不同时刻外来污染物输送高度、质量浓度、结构组成都不相同，污染物集中输送高度一般介于4.5～7.5 km之间，输入最大质量浓度一般介于450～1200 μg·m-3之间，输入污染物中粗颗粒物居多，污染物类型主要包括沙尘和城市污染物；(3) 个例分析表明，输入污染物仅有25%～35%沉降到近地面，重力和气温下降是影响沉降的重要原因，其中重力对粗颗粒物沉降作用更大，而气温下降对细颗粒物作用更大。
激光雷达 微波辐射计 Mie散射 输送 沉降 lidar microwave radiometer Mie scattering transport deposition 大气与环境光学学报
2023, 18(6): 541
西安邮电大学通信与信息工程学院，陕西西安 710121
针对脉冲激光近感探测在烟雾干扰下引起的虚警、漏警等问题，本文根据 Mie散射理论，运用 Monte Carlo方法建立脉冲激光近感探测模型，仿真 905 nm脉冲激光获取大小目标在无干扰和烟雾干扰两种条件下的回波，分析回波的波形特征。结果表明：无干扰情况下，发射接收系统与目标之间的距离和回波幅值呈负相关；大小目标回波前沿的上升速率均呈递增趋势。烟雾干扰情况下，烟雾回波和目标回波的脉冲宽度相对于发射激光波形均有一定的展宽，但前者的展宽程度要大于后者；烟雾回波波形呈现前沿陡峭，后沿平缓的非对称特征。研究成果可以为激光近感探测抗烟雾干扰提供理论基础。
激光近感探测 烟雾 Mie散射 Monte Carlo方法 回波特性 laser proximity detection, smoke, Mie scattering,
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601
2 中国科学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 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230031
为了研究海洋大气气溶胶不同模态的光学特性，基于球形粒子的Mie散射理论，综合运用能见度仪、自动气象站、光学粒子计数器（OPC）以及腔衰减相移式单散射反照率监测仪（CAPS）等设备，对广东茂名地区近海海域的大气气溶胶进行粗、细模态分类以及复折射率反演和研究。反演结果表明，在530 nm处，细模态气溶胶复折射率在相对湿度大于55%时约为1.35（±0.01）?0.019（±0.003）i，在相对湿度小于55%时约为1.37（±0.02）?0.020（±0.003）i；粗模态气溶胶复折射率在相对湿度大于55%时约为1.4?0.004（±0.002）i，在相对湿度小于55%时约为1.48（±0.02）?0.005（±0.002）i。不同模态的气溶胶粒子折射率差异明显，该结论对研究海洋气溶胶气候效应具有一定的参考价值，同时对建立茂名地区海域气溶胶模型具有重要意义。
大气光学与海洋光学 海洋气溶胶 Mie散射 复折射率 气溶胶谱分布 粗模态 细模态 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2101002
1 盐城师范学院 物理与电子工程学院 江苏省智能光电器件与测控工程研究中心，江苏 盐城 224007
2 江苏省大气探测激光雷达技术军民融合创新平台，江苏 盐城 224007
3 中国科学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
提出了基于双法布里-珀罗干涉仪（FPI）的多纵模米散射多普勒激光雷达技术，分析了探测原理，并导出了径向风速和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光源的纵模间隔与双FPI的自由谱间距相匹配，并将各纵模的中心频率锁定在双FPI周期性频谱曲线的交叉点附近。详细分析了频率匹配误差引起的风速测量误差。在低风速区域，由频率匹配误差造成的风速测量误差增加的百分数EV随匹配误差的增大而迅速增大；频率匹配误差不变时，EV随风速增大而缓慢减小；当频率匹配误差小于10 MHz时，EV将小于5%。设定合理的大气模式和系统参数，对基于双FPI的多纵模米散射多普勒激光雷达的探测性能进行了仿真分析。结果表明：在0~10 km高度、0~50 m/s的径向风速范围内，当距离分辨率为30 m、时间分辨率为30 s、激光发射天顶角为30°时，系统白天和晚间的径向风速测量精度分别优于1.50 m/s和1.02 m/s；在无云条件下，系统白天和晚间的后向散射比相对测量精度分别优于6.57%和4.53%。
激光雷达 大气风场 多纵模脉冲激光 法布里-珀罗干涉仪 米散射 lidar atmospheric wind multi-mode pulse laser Fabry-Perot interferometer Mie scattering 红外与激光工程
2023, 52(7): 20220762
山东师范大学物理与电子科学学院，山东 济南 250358
表面晶格共振源于周期阵列的衍射耦合，理论上可以获得高品质因子，并可有效增强光与背景环境中物质的相互作用。本文首先介绍在垂直入射激发条件下金属及高折射率介质纳米颗粒阵列中表面晶格共振的基本性质以及实现高品质因子的技术手段；然后，介绍基于反射镜上高深宽比介质纳米柱阵列在非对称折射率环境实现高品质因子表面晶格共振的研究进展；最后，探讨目前研究存在的局限以及后续的努力方向。
表面模 衍射 表面等离激元 Mie散射 光学学报
2023, 43(16): 1623005
光子学报
2022, 51(12): 1223001
1 安徽大学 物质科学与信息技术研究院 安徽省信息材料与智能感知实验室, 安徽 合肥 230601
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 合肥学院, 安徽 合肥 230601
4 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
基于CMOS探测器的静态光散射法能够实现水体悬浮颗粒物粒度分布的快速检测, 受探测器工作特性和面幅大小的限制, 前向光散射的CMOS粒度测量范围和精度难以提高。提出了颗粒前向光散射的双CMOS测量技术, 重点研究双CMOS散射信号拼接测量方法, 设计消除背景干扰的CMOS探测器分环方式, 实现宽粒径范围颗粒粒度的准确测量。实验结果表明: 基于CMOS探测器的颗粒粒度测量上限提高到了1000μm, 1000μm、500μm标样的D50测量相对误差分别为0.7%、0.1%, 大粒径颗粒粒度测量准确度高; 同时双CMOS探测的方式将单CMOS的粒度测量下限由5μm提高到了2μm, 5μm、2μm标样D50相对误差分别由单CMOS的15.0%、51.1%下降至双CMOS的1.4%、2.6%。
粒度测量 Mie散射理论 CMOS图像传感器 图像处理 particle size measurement Mie scattering theory CMOS image sensor image processing
哈尔滨工业大学 物理学院，黑龙江 哈尔滨 150001
激光雷达是一种能够快速获取目标三维信息的光学传感器，凭借精确定位与高效识别能力，其在**侦察、无人驾驶、空间交会对接等领域发挥着越来越重要的作用。然而在浓雾、烟尘、海水等复杂的气候或环境下，传输介质对光场的强烈散射作用会造成传统激光雷达接收信号的严重退化，致使其性能迅速降低，甚至根本无法正常使用。针对该类环境下接收信号的退化特性，首先建立了Monte Carlo的Mie散射瞬态光场传输模型，接着通过计算机模拟仿真了传输光场的时域分布规律，针对该规律研究了时域信号去散射效应的滤波算法，最后在实验室搭建了基于时间相关单光子计数的穿透成像激光雷达系统，开展了雾气模拟环境下的成像实验，结果验证了该穿透成像激光雷达系统的处理方法对目标图像重构质量的提高具有较好的效果。该研究为激光雷达在复杂散射环境中的进一步应用提供了基础。
激光雷达 穿透成像 Mie散射 TCSPC LIDAR penetrating imaging Mie scattering TCSPC 红外与激光工程
2022, 51(8): 20220404
