1 华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206
2 北京应用物理与计算数学研究所，北京 100094
雨滴的散射和吸收作用会严重增加地空链路上太赫兹波的传输损耗，降低无线通信的性能。为实现太赫兹波在地空链路上的传输应用，必须对太赫兹波在降雨环境中的传输特性进行深入研究。本文对原有的雨衰模型进行了修正，基于 Mie理论，分析了降雨率的变化对地空链路上太赫兹波传输的影响，并与原有模型的计算结果进行了对比。结果表明：在整个太赫兹频段，雨衰减损耗会随降雨率的增加而增大，随频率的增加先增大后减小，且高频太赫兹波段相对 0.1~ 1 THz频段范围的雨衰损耗更小；同时，当频率超过 1 THz时，大气窗口越靠近 10 THz，损耗越小，在降雨天气环境进行无线通信传输时将更具有通信优势，且频率越低，天顶角越大，模型修正前后的差异性更加明显。
太赫兹 雨衰减 Mie理论 散射 terahertz rain attenuation Mie theory scattering 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(8): 971
1 郑州航空工业管理学院材料学院, 河南郑州, 450046
2 郑州大学物理学院(微电子学院), 河南郑州, 450001
光散射中的anapole态是纳米光子学领域的一种独特的光学现象, 可以用Mie理论以及多极展开理论进行分析。对于最常见的一阶电anapole态, 其可以看做是由笛卡尔坐标系下电偶极矩和环偶极矩的干涉相消产生, 具有典型的远场散射抑制和近场增强性能。本文首先对anapole态的基本概念和理论进行阐述, 其次对激发anapole态的微纳结构进行总结, 最后结合anapole态独特的光学特性, 对其在近场增强、非线性光学、激光等方面潜在的光子学应用和最新研究进展进行了讨论和展望。
anapole态 Mie理论 超材料 近场增强 光学非线性 纳米激光器 anapole state Mie theory metamaterial near-field enhancement optical nonlinearity nanolaser
1 新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆 乌鲁木齐 830054
2 新疆矿物发光材料及其微结构重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830054
等高线相交法是用于反演微小颗粒复折射率的一种新方法，目前利用该方法反演纳米颗粒复折射率的研究未见报道。以Au纳米球为研究对象，探讨了等高线相交法在纳米颗粒复折射率反演问题中的可行性和可靠性。利用Mie理论和介电函数尺寸修正模型计算得出Au纳米球的光散射和光吸收特性与复折射率的对应关系，结合等高线相交法反演获得颗粒复折射率，给出了等高线相交法出现多个有效解时确定唯一解的后向散射效率约束方式并定量分析了复折射率步长、颗粒尺寸及测量误差等因素对反演结果的影响。最后，与传统迭代法的反演精度进行对比分析，结果表明：Au纳米球对光的散射和吸收效率可以利用等高线相交法反演得到准确的复折射率；当测量误差小于5%时，可以确保反演结果的准确性；同等条件下等高线相交法反演的结果优于迭代法。此研究为Au纳米球复折射率的测量提供简单可靠的反演方法。
Mie理论 等高线相交法 Au纳米球 复折射率 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2116003
Author Affiliations
Abstract
1 Faculty of Applied Sciences; Department of Chemical Engineering, Delft University of Technology, 2629 HZ, Delft, The Netherlands
2 JM Burgerscentrum for Fluid Mechanics, 2628 CD, Delft, The Netherlands
3 Faculty of Mechanical, Maritime and Materials Engineering; Department of Precision and Microsystems Engineering, Delft University of Technology, 2628 CD, Delft, The Netherlands
We study how the speckle contrast depends on scatterer velocity, with the goal of further developing laser speckle imaging as a quantitative measurement technique. To that end, we perform interferometric computer simulations on a dilute plug flow. The results of our numerical experiment, that we compare with known analytical expressions to confirm their veracity, match well at low velocities with the Gaussian expression. Finally, we address the issue of how velocity depends on speckle decorrelation time, and show that the speckle size is most likely the relevant connecting length scale.We study how the speckle contrast depends on scatterer velocity, with the goal of further developing laser speckle imaging as a quantitative measurement technique. To that end, we perform interferometric computer simulations on a dilute plug flow. The results of our numerical experiment, that we compare with known analytical expressions to confirm their veracity, match well at low velocities with the Gaussian expression. Finally, we address the issue of how velocity depends on speckle decorrelation time, and show that the speckle size is most likely the relevant connecting length scale.
Speckle interferometry Velocimetry Numerical simulation Mie theory Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2022, 18(2): 2022010
新疆师范大学物理与电子工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830054
贵金属纳米颗粒具有局域表面等离子体共振特性而引起了广泛的关注, 其中Au-Ag合金纳米颗粒具有良好的结构稳定性、 光热性能以及潜在的抗癌功效而得到普遍研究。 在众多应用中的特性与其粒径和浓度密切相关, 然而目前常用的电子显微镜观察法和动态光散射法不能同时获得粒径和浓度信息, 因此采取有效手段测量颗粒粒径和浓度信息至关重要。 基于光谱消光法, 利用非负的Tikhonov正则化方法解决反演问题, 并根据Mie理论计算消光矩阵。 针对噪声问题, 采取两种情况研究多分散Au-Ag合金纳米球粒径分布与浓度的反演问题。 未添加噪声情况下, 颗粒系Ⅰ的反演相对误差小于颗粒系Ⅱ, 在波长范围300~500 nm之间的反演相对误差最小, 对应平均粒径、 粒径标准差和颗粒数浓度的反演相对误差分别为0%,-0.03%和0%。 添加随机噪声情况下, 将0.5%和1.0%的随机噪声添加进颗粒系Ⅰ中的消光谱, 经过数据比较发现在波长范围200~600 nm之间的反演相对误差最小。 当添加0.5%的随机噪声时, 粒径分布、 粒径标准差和颗粒数浓度的变化范围分别为79.76~80.15 nm, 5.60~6.61 nm和0.995 8×1010~1.005 9×1010个·cm-3; 当添加1.0%的随机噪声时, 粒径分布、 粒径标准差和颗粒数浓度的变化范围分别为78.87~80.27 nm, 5.36~9.00 nm和0.992 4×1010~1.027 7×1010个·cm-3。 反演结果随着随机噪声的增大, 变化范围也明显增大即反演相对误差增大, 并且每次添加相同随机噪声后的反演结果不同。 为了减少随机噪声导致的不稳定性, 对100次反演结果进行平均得到平均粒径、 粒径标准差和颗粒数浓度。 当随机噪声从0.5%增大至1.0%时, 其反演结果的相对误差均增大, 但是反演得到的粒径分布、 粒径标准差和颗粒数浓度相对误差均小于6%, 这说明通过反演算法得到的反演结果具有较好的稳定性。 研究表明, 光谱消光法为反演多分散Au-Ag合金纳米球粒径分布与浓度提供了一种简单、 快速的表征手段, 也对研究非球形纳米颗粒有启示作用。
消光法 光谱分析 复合纳米材料 局域表面等离子体共振 Mie理论 Tikhonov正则化 Light extinction Spectroscopic analysis Nanocomposites Localized surface plasmon resonance Mie theory Tikhonov regularization 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3039
1 西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048
2 陕西理工大学物理与电信工程学院，陕西 汉中 723001
3 陕西省智能协同网络军民共建重点实验室，陕西 西安 710126
4 安徽大学电子信息工程学院，安徽 合肥 230039
水下信道中存在大量的悬浮藻类粒子，对激光信号传输特性有显著的影响。基于广义Mie理论，建立了水下悬浮球形藻类粒子对拉盖尔-高斯（LG）涡旋光束的散射模型。首先，数值仿真了单个悬浮球形藻类粒子对LG涡旋光束散射特性的影响，并计算了粒子半径、束腰半径、涡旋光阶数和拓扑荷数对其微分散射截面的影响。然后，进一步讨论了水下悬浮球形藻类粒子群对LG涡旋光束微分散射截面的影响。结果表明：对于水下单个悬浮球形藻类粒子，微分散射截面随粒子半径、涡旋光阶数和束腰半径的增大而增大，随涡旋光拓扑荷数的增大而减小；对于水下悬浮球形藻类粒子群，微分散射截面随涡旋光阶数和束腰半径的增大而增大，随涡旋光拓扑荷数的增大而减小。
散射 广义Mie理论 拉盖尔-高斯涡旋光束 微分散射截面 藻类粒子群 光学学报
2022, 42(18): 1829001
悬浮颗粒物的质量比后向散射系数（）主要受颗粒物的成分、大小等因素影响，研究其变化特性对于揭示水体中颗粒物种类、时空分布以及提升水色遥感定量化精度等具有重要意义。本文利用Mie理论，对海水中常见的具有不同粒径分布、相对折射率及表观密度的多种藻类和无机矿物颗粒的质量比后向散射系数进行了模拟计算。研究发现：当粒径分布斜率ξ相同时，无机矿物颗粒的平均约为藻类颗粒的2倍；ξ为4.0时，无机矿物颗粒和藻类颗粒在532 nm处的平均分别为（9.12±3.18）×10-3 m2·g-1和（4.09±0.48）×10-3 m2·g-1；藻类颗粒具有较低的主要原因是其折射率实部较低。黄东海实测数据研究结果表明：的空间变异性低于后向散射系数，当无机颗粒质量浓度在总颗粒物中占主导时，平均为8.46×10-3 m2·g-1；而有机颗粒物占主导时为3.63×10-3 m2·g-1，前者为后者的2.3倍。实测随有机颗粒物质量浓度占比的增大呈乘幂函数形式减小，结合模拟结果，发现研究区水体颗粒物的粒径分布斜率ξ的变化范围为3.6~4.2，对于有机颗粒占主导的远岸水体，ξ约为3.9，而在长江入海口附近水域，悬浮颗粒物的质量比后向散射系数因受粒径分布变化的影响具有较大的变化幅度。。
海洋光学 质量比后向散射系数 Mie理论 粒径分布 颗粒物组成 黄东海 激光与光电子学进展
2022, 59(13): 1301002
1 新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆 乌鲁木齐 830054
2 新疆矿物发光材料及其微结构重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830054
基于Mie理论分析单分散Au-Ag合金纳米球消光特性随粒径和波长的变化情况。在理论计算中，根据金属纳米颗粒中自由电子平均自由程的缩短效应对Au-Ag合金纳米颗粒的介电函数进行修正。基于消光特性提出了三种确定粒径和浓度的拟合公式，包括共振波长法、双波长消光法和改进的双波长消光法。结果表明，只要测得颗粒的消光谱，就能利用拟合公式反演颗粒的粒径和浓度。此外，对比三种方法的灵敏度和粒径范围发现，相比其他方法，共振波长法的原理更简单、速度更快。
散射 Mie理论 消光法 Au-Ag合金纳米球 局域表面等离激元共振 反演 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0729001
1 新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆 乌鲁木齐 830054
2 新疆矿物发光材料及其微结构重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830054
为了寻找单个Au纳米球壳在连续激光激发下的最大表面温度变化及对应的颗粒最优尺寸，利用Mie理论、介电函数尺寸修正模型和热方程定量研究了波长、内核半径和外壳厚度对单个Au纳米球壳光热特性的影响。首先，通过改变Au纳米球壳的内核半径及外壳厚度调节共振峰的大小和位置，并得到所需的颗粒表面温度变化情况。然后，针对颗粒光热特性的应用，给出近红外波段内四个典型波长（800，808，820，1064 nm）下单位入射光强度的最大颗粒表面温度变化量γmax及对应的颗粒最优尺寸。最后，给出了上述波长下单位入射光强度的颗粒表面温度变化量大于0.9γmax的颗粒尺寸分布。该研究对光热治疗、等离子体辅助光催化以及颗粒制备等方面的研究具有重要意义。
散射 Mie理论 Au纳米球壳 介电函数 光热特性 优化 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0725001
1 西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048
2 澳门科技大学资讯科技学院, 澳门 999078
为研究气-海跨介质的蓝绿激光传输特性,针对气-海跨介质界面及海面下气泡层,依据基尔霍夫近似、Mie理论与Beer理论建立了蓝绿激光通过海面-气泡层的下行传输模型。充分考虑了受风速影响的海面高度起伏、海水中气泡浓度变化、海水中洁净气泡和有薄膜覆盖气泡的混合等因素,数值计算了蓝绿激光经过海面-气泡层的透过率随风速、海水中的传输深度以及接收平面与发射平面夹角的变化关系。结果表明,蓝绿激光通过气-海界面及海水中的透过率主要取决于风速的大小与激光在海水中的传输深度;随着风速的增大,海面粗糙度与上层海洋中气泡浓度增大,激光透过率降低;与海水相比,气泡层对激光透过率的影响会随着深度的增加而降低;对于半径大于10 μm的气泡,蛋白质薄膜的覆盖对蓝绿激光的衰减影响不大。
激光光学 蓝绿激光 粗糙海面 海中气泡 Mie理论 透过率
