复杂生物组织中光传输规律的Monte Carlo方法及应用

该文针对生物组织的特殊光学性质,基于统计光学的基本原理,通过引入Monte Carlo方法对光在生物组织中的传输规律进行了大量数值模拟,得出了光在单层以及多层生物组织中光通量随深度的分布规律,计算结果与现有文献已报道的结果吻合较好,证明Monte Carlo方法是研究光在复杂（多层结构、各向异性、强散射）生物组织中传输规律的有效工具。     

快速求解辐射传输方程的模型降阶算法

光学层析成像技术近年来备受关注.光子在生物组织中的传播服从辐射传输方程,该方程计算复杂性非常高,直接影响到成像速度.提出了采用模型降阶算法将辐射传输方程求解中的刚度矩阵进行降阶,大幅度地降低系统复杂性来提高辐射传输方程的前向求解速度.实验表明该方法能保证前向求解具有较小的误差,并且能在最大程度保留输入输出行为的前提下,使前向求解速度大大提高.     

经络与非经络光学传输特性测量系统

近年来,激光在生物医学光子学领域的研究中得到越来越多的应用,不同波长的激光在生物组织中的传输特性也因其光学特性而异,生物组织的光学特性与生理状态有关,通过测量生物组织表面漫射光分布进而可以了解其生理状态。该系统基于三波长测量法设计并实现了一套多通道三波长漫射光自动测量系统,对人体经络与非经络的光传输特性进行了测量分析。实验结果表明,经络与非经络循行线上的光传输特性存在差异,在手阙阴心包经方向上光的传输比起非经络方向上衰减得慢。经络与非经络这一光学传输特性对证明经络的客观存在和对经络这一方面进一步的研究有着重要的意义。     

近光源下基于稳态空间分辨漫反射测量的光学参数反构

在各种生物医学诊断和治疗的过程中,准确计算组织的光学参数有着重要的意义．在大约化反照率及大检测距离下,通常使用漫射近似理论来描述光子在生物组织中的传输;而在低约化反照率或小检测距离下,学者们研究了多种其他的传输模型,如PN近似以及混合漫射近似等．针对在大约化反照率范围（0．50～0．99）以及小检测距离（0．4～8．0mm）下,使用6种光子传输模型（单点源和双点源模型下的漫射近似、混合漫射近似和P3近似）,研究了准确反构吸收系数和约化散射系数的方法．通过对模拟数据的非线性拟合及误差分析,发展了一种在5个不同约化反照率区间使用不同传输模型的联合反构方法,并给出了相应的最佳正向模型和误差范围．     

光学衬底上微光纤的传输损耗

选择不同的光学衬底,采用纳米光纤锥直接耦合的方法,测量微光纤传输损耗与光学衬底之间的关系,分析损耗机制,探索降低损耗的有效方法.结果表明:放置于MgF2及CaF2光学衬底上的微光纤传输损耗明显高于悬置于空气中的损耗值;衬底的折射率越接近光纤的折射率,置于其上的微光纤传输损耗越大;在同一种光学衬底上,微光纤直径越大,其传输损耗越小;光学衬底的存在,使微光纤中光场能量中心向衬底方向偏移,增加了传输损耗;采用将微光纤部分悬空的方法可有效降低传输损耗.     

基于格林函数法研究分数阶Bessel-Gaussian光束近场传输

为揭示FBG(fractional-order Bessel-Gaussian)光束在近场传输时的光强和相位演化情况，基于光传播的独立性和叠加性原理，通过引入虚光源点，并结合格林函数法，严格推导了FBG光束的非傍轴积分表达式，并进一步利用非傍轴下的各阶修正解，精确计算了FBG光束轴上的光强分布.计算结果表明：对于分数阶Bessel-Gaussian光束的远场传输，利用经典的傍轴近似理论可以得到准确的计算结果，但在近场传输时，傍轴近似理论的计算结果误差很大，只有利用非傍轴修正解才能精确研究FBG光束的近场光学传输.研究结果为将FBG光束更好地应用于近场光学奠定必要的理论基础.     

介质层光学厚度为非λ0/4的一维光子晶体透射谱研究

采用光学传输矩阵方法,模拟研究了当一维光子晶体的介质层光学厚度不为λ0/4时,光子晶体的光学传输特性,详细计算并分析了这类光子晶体的透射谱.结果表明,在这种常常被研究者们所忽视的介质层光学厚度为非λ0/4情况下,仅通过适当调节介质层的实际厚度就能够产生一个或多个近完全透射带,这将为光子晶体滤波器的制作提供一种简单的方法.     

偏振光在海水信道中传输的退偏特性研究

光的偏振信息在海洋光学中有重要应用,通过对光偏振的检测可以得知海水部分光学性质。本文通过蒙特卡洛模拟方法,结合海水信道的光学性质和光子的量子特性（每次和粒子作用都是概率性的被吸收）模拟了光子在海水中的传输过程,研究了其衰减和偏振特性。我们的结果表明,光在海水中传输,信道中粒子散射对光偏振的影响很小,引起的退偏比变化在10-5量级。     

动态光热参数情形下激光牛肌肉组织光热响应模拟

以牛肌肉组织为模拟对象,考虑到其光热光学和热学参数对温度的依赖性,运用有限元方法模拟了激光在牛肌肉组织中的传输以及动态热响应过程.通过数值求解热传输方程,得到牛肌肉组织内部的温度场分布,并与静态光热参数情形下的结果进行了比较.结果表明:若不考虑光学参数以及热学参数随温度变化的影响,将高估牛肌肉的温升;与热学参数相比,动态光学参数更大程度地影响牛肌肉组织的温度响应;在激光辐照的过程中,牛肌肉组织表面附近将会形成一个光学屏障,影响组织表面和内部的光子数分布,该结论通过Monte-Carlo方法模拟组织内部光子数的分布情况得到了验证.     

2020年光学热点回眸

回顾了光学领域在2020年的重大进展,盘点了微纳光学、强激光与超快光学、超分辨与成像技术、量子计算与光学通信、光束传输、生物光子学、量子光学、紫外光源、光束整形与探测、等离子体光学、人工智能、光伏光电、涡旋光和孤子光学等14个光学技术研究领域的重大进展,探讨了其在未来可能会对人类生存及生活方式产生巨大影响.     

基于光纤干涉器的带通巴特沃斯光学滤波器的设计

光学滤波器在光信号处理和通信系统中有着重要的作用。研究带通巴特沃斯光学滤波器的设计过程,这种滤波器的实现以级联结构形式给出,利用一臂上附有光纤环的Mach-Zehnde(rM-Z)光纤干涉器来实现传输函数的零点和极点,光纤环上加有掺铒光纤放大器(EDFA)来放大光信号。通过级联一臂上附有光纤环的M-Z光纤干涉器来实现滤波器的传输函数。根据传输函数的零极点计算出了M-Z光纤干涉器的各个耦合器的耦合系数、臂长差和环长,并对其进行了计算机仿真,验证了光学滤波器的频谱特性。     

基于超声透射法的组织特性谱分析

针对生物组织的超声诊断问题,基于超声透射法在生物组织中的传播机理,分析了超声在生物组织中的传输衰减特征与生物组织特性及超声频率参数间的关系,提出了超声波在生物组织中传输衰减的理论计算公式。经过计算比较,实验值与理论计算接近,该理论公式可以应用于对生物组织状况的分析。通过超声透射法对生物组织进行实验检测,证实了理论公式定量评估组织状态的有效性,同时表明基于超声透射法的谱分析对组织的可辨识度高,提高了超声对生物组织结构状态诊断的有效性。     

基于一维光子晶体结构的温度可控光学膜系设计

采用热致相变材料VO2作为缺陷层,ZnS与MgF2作为周期性排列材料,设计了一种基于一维光子晶体结构的温度可控的光学膜系.由于VO2具有特殊的热致相变转换特性,光子禁带中的透射峰强度会因外界环境温度的改变而改变.所设计的一维光子晶体结构光学参数通过理论计算方法进行拟合,透射谱数据可根据传输矩阵法进行计算.研究结果表明,所设计结构具有良好的光学调节性能,在常温时的透射峰强度是高温状态下的40倍,并且透射峰位置可以根据入射角度的变化进行微调.所设计的基于一维光子晶体结构温度可控光学膜系具有较高的温度透射比、透射峰位置微调以及良好的双向温度调节性能.     

近红外光学乳腺检测频域方法的研究

基于近红外光学频域测量的基本原理,提出了近红外光学频域乳腺检测系统模型.在频域测量方法中,对光源进行强度调制,在乳腺组织中形成漫射光子密度波,在组织周围检测漫射光子密度波的幅度和相位,求出组织的吸收系数和约化散射系数,并对此进行了计算机仿真分析.结果表明:在乳腺组织厚度5cm左右处,组织的光学参数能得到较好的检测.     

级联微环辅助M-Z型带通切比雪夫光学滤波器的设计

为得到所给具体参数的光学滤波器,本文将数字滤波器的设计方法引入到级联微环辅助M-Z干涉仪光学滤波器的设计中.以带通切比雪夫滤波器为例,给出了光学滤波器的设计过程,利用数字滤波器的设计方法计算出带通切比雪夫光学滤波器的具体传输函数,通过级联微环辅助M-Z干涉仪来实现滤波器的传输函数,根据传输函数的零、极点计算出了各微环辅助M-Z干涉仪的耦合系数、臂长差和环长,根据上述结构参数对其进行计算机仿真验证,所得结果与利用数字滤波器方法设计的带通切比雪夫滤波器相一致.同时对微环辅助M-Z干涉仪型光学滤波器的特性进行了分析.     

基于CASA模型和SEVI指数的福建省植被NPP遥感估算与分析

植被净初级生产力(NPP)是评估陆地生态系统碳汇和调节过程的重要指标,但遥感影像上崎岖地形造成的光学辐射传输畸变会降低植被NPP估算精度.为了消除地形对山区植被NPP模型估算的影响,以福建省为研究区,利用阴影消除植被指数(SEVI)改进CASA模型中的植被光合有效辐射吸收比率因子(FPAR)计算模型,进行福建省2005...     

高速飞行器气动光学传输效应的工程计算方法

气动光学传输效应对飞行器光学成像探测系统的性能有着十分重要的影响，它使探测器接受的图像产生偏移、抖动和模糊。文章分析了目标光线通过流场时的光学传输特性，建立了流场光学传输特性的工程计算模型，描述了气动光学传输效应对成像探测系统影响的经验模型。在此基础上，对气动光学传输效应产生的像偏移、抖动和模糊进行了数值仿真，仿真结果表明，气动光学传输效应对成像探测系统的影响与飞行器的飞行参数、成像探测系统参数和探测器积分时间等密切相关。     

下行漫衰减系数K_d(z)分析求解

漫衰减系数K(z)是湖泊光学研究中的重要光学参数,而其中下行漫衰减系数Kd(z)目前的计算方法主要是经验算法,而这些方法对于理解Kd(z)以及影响Kd(z)计算不确定性的分析是远远不够的,本文通过求解辐射传输方程得到K(z)的解析模型,分析固有光学属性bab((zz))以及表观光学属性ud(1z)和uu(1z)对计算K(z)时误差引入的敏感度,根据其敏感度为0的分界点,推演出Kd(z)在bab((zz))1和bab((zz))1条件下的综合分段模型,预测值与Hydrolight模拟值方差为1.002 3,标准差为1.001 1.     

内蒙半干旱草场遥感反射率模型研究

结合辐射传输(RT)模型和几何光学(GO)模型的建模思想,建立适用于半干旱草场的遥感反射率模型.考虑到研究区土壤裸露严重,比较分析经验土壤模型Price+Walthall和机理土壤模型Soilspect应用于草场遥感反射率模型的优缺点.研究表明草场模型较好得拟合了遥感观测值;土壤反射采用Price+Walthall,模型参数少,但草场的"热点"效应不明显;土壤反射采用Soilspect,模型参数多,且难以获得;根据需要选取相应的模型.此模型可用于内蒙半干旱草场的退化状况监测.     

超冷原子系统中电磁诱导透明的弱光矢量怪波

光学怪波,类比于海洋中的怪波,即具有极高振幅的光学波.非线性薛定谔方程可以作为一种简单的模型来研究光学怪波.多分量耦合的非线性薛定谔方程可研究不同偏振分量的矢量怪波.提出在冷原子体系利用电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency, EIT)实现矢量光学亮-亮怪波、暗-暗怪波和亮-暗怪波,并利用调制不稳定性研究产生光学怪波的产生机制．研究结果有助于深刻理解非线性系统的不稳定性本质和动力学性质,并且在光学信息处理和传输中具有潜在的应用价值．