激光多普勒在粒子散射测量中的应用

摘要

本文对激光多普勒在粒子散射测量中的应用进行了探讨。本研究分为五个部分： 第一章综述了本文的研究背景，以及激光多普勒测量技术的历史和发展情况，激光多普勒测量系统光学器件的概况，同时还阐述了激光多普勒测量技术的优点。最后简要介绍论文的结构和安排。 第二章本章中介绍了粒子对平面波／高斯波束的散射理论，即Mie理论和GLMT理论；推导了平面波入射时粒子的散射光强度和光功率的表达；并数值分析了单高斯波束入射时粒子散射光功率。这是本论文的基础，为后面的各章内容做理论准备。 第三章本章从数学解析方面，对激光多普勒频移测量的基础理论，包括Doppler原理，Doppler频移原理，光学外差探测原理进行了总结和介绍。推导了多普勒频移的电场矢量表达式；然后研究了多普勒频移测量技术中的三类适合本文中PDA测量系统的测量光学模式：参考光模式，双光束模式和双散射模式的测量光路和测量原理。 第四章根据Mie理论和Doppler频移理论，分析了在相干交会的双平面波入射下运动的均匀球形粒子的激光多普勒测量技术，推导出了探测点在入射波平面内和探测点垂直入射波平面两种在两相干平面波入射下的LDA散射光强度和散射光功率展开式，展开式中包涵了散射光强度因子和速度因子，并详细数值分析来二维和三维的情况下LDA的散射光功率的空间分布，讨论了粒子的折射率，粒子的尺寸，粒子的运动速度，入射波的波长，入射波的夹角，入射波的偏振角及探测距离等参量对运动粒子散射光强度和散射光功率的影响。 第五章根据GLMT理论和Doppler频移理论，研究了运动的均匀球形粒子在相干双高斯波束入射下所产生的激光多普勒频移散射情况，推导了PDA的散射光强度和散射光功率的表达式，表达式中包含了速度因子，并采用几何光学近似获得反射模式和折射模式下的散射相位差，分析了粒径参量和粒子折射率参量与散射相位差的关系。针对PDA测量系统，对水滴，油滴，玻璃，血红细胞，白细胞，血小板等几种物质颗粒构建了数学模型进行了实验数值仿真，讨论了粒子的折射率，粒子的尺寸，粒子的运动速度，入射波束的束腰等参量对运动粒子散射光功率的影响，验证了PDA测量系统能准确的判断出运动物质颗粒的种类的可行性，实现了对目标对象的分类检测的基本思想。

目录

声明

第一章绪论

§1.1研究背景和意义

§1.2激光多普勒的发展和历史

§1.3激光多普勒测量系统

§1.3.1激光器的选择

§1.3.2光电检测器的选择

§1.3.3散射粒子简介

§1.4激光多普勒技术的优点

§1.5本文的主要工作

§1.5.1本文的内容安排

§1.5.2本文的创新点

第二章粒子的电磁波散射

§2.1球形粒子对平面电磁波散射

§2.1.1波矢方程的数值解析解

§2.1.2粒子的散射场

§2.1.2散射截面

§2.2相干平面波的散射强度

§2.3 GLMT理论

§2.3.1高斯波束的场分量展开

§2.3.2高斯波束的平面波角谱一阶展开

§2.3.2 GLMT中的散射场

§2.5单高斯波束波入射时的数值仿真

§2.6讨论与小结

第三章Doppler频移理论和测量技术

§3.1 Doppler基本原理

§3.2相对论Doppler频移

§3.3散射Doppler频移

§3.4 Doppler频移测量的光学模式

§3.4.1参考光模式

§3.4.2双光束模式

§3.4.3双散射模式

§3.5小结

第四章激光多普勒测量--LDA

§4.1 LDA测量的发展

§4.2双波LDA的散射原理

§4.2.1探测点在入射波平面内

§4.2.2探测点垂直于入射波平面

§4.3平面LDA的数值仿真及分析

§4.3.1折射率参量

§4.3.2粒子尺寸参量

§4.3.3入射波波长参量

§4.3.4粒子的运动速度参量

§4.3.5入射波的夹角参量

§4.3.6偏振角参量

§4.4 LDA理论及数值仿真

§4.5讨论与小结

第五章激光相位多普勒测量--PDA

§5.1 PDA测量的发展

§5.2基于Mie理论的几何光学近似理论

§5.3单粒子PDA的散射特性

§5.4 PDA测量的数值仿真

§5.4.1折射率参量

§5.4.2粒子尺寸参量

§5.4.3波束束腰参量

§5.4.4粒子的运动速度参量

§5.4.5 PDA测量运动粒子的三维数值仿真

§5.5数值验证一细胞样本测量

§5.6讨论与小结

结束语

致谢

参考文献

攻读硕士期间科研情况