气溶胶单粒子的偏振光散射特性研究

摘要

气溶胶颗粒物的光学性质取决于其化学组分、尺寸、形状及内部结构等，散射光探测技术广泛用于大气颗粒物的种类、浓度及尺寸分布的测量，光的偏振性在气溶胶颗粒物的探测和研究中扮演着重要角色。
　　颗粒物的光散射偏振性质可由穆勒矩阵（4×4矩阵，由颗粒物的尺寸、形状及折射率决定）表达，将散射光的偏振信息和穆勒矩阵元数值与激发光的偏振状态相联系。本文针对偏振方向相互垂直的两束线偏振激发光，计算分析了气溶胶单粒子的光散射穆勒矩阵的特性，并与初步的实验结果进行了对比。
　　本文运用T-matrix单粒子散射光微分散射截面计算方法，编写了对应一定范围采集立体角的散射光探测器的积分散射截面强度的计算程序，可以对具有不同等效直径、折射率的球形或轴对称颗粒进行模拟，获取不同位置和口径大小的探测器对散射光的响应。
　　计算了若干散射极角位置的探测器的散射光响应强度，考察了粒子的尺寸、折射率以及形状特征（纵横比）对穆勒矩阵元和偏振强度因子Pf的影响。结果表明，偏振方向相互垂直的两束线偏振激发光的散射强度的差异正比于穆勒矩阵元Z12;Z12随着粒径的变化在零点附近上下波动，而对应于总散射光强的矩阵元Z11随粒径的增加而快速增长;随着非球形颗粒的纵横比的增大，Z12变化幅度有增大的趋势，反映了球形与非球形颗粒的差异;折射率的变化会导致Z12的变化，但未展示明显的规律性。
　　利用空气动力学粒径测量装置，在0.91～1.19μm直径范围，获取了若干球形、立方形及长形颗粒的偏振入射光对应的Z12和Pf值。分析表明，立方形颗粒Z12与Pf值与球形颗粒几乎相同，而长形颗粒则有明显的差异，展示了穆勒矩阵元Z12和Pf的测量方法及区分长形和球形颗粒的能力。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．2 气溶胶粒子的形态特征

1．2．1 气溶胶粒子的尺寸特征

1．2．2 气溶胶粒子的形状

1．3 研究意义

1．3．1 气溶胶粒子形态对气候环境的影响

1．3．2 气溶胶粒子形态对人类身体健康的影响

1．4 非球形气溶胶粒子光散射模拟的理论研究概况

1．5 气溶胶单粒子形态测量的角向探测技术

1．6 气溶胶粒子的偏振探测技术

1．7 本文研究内容及研究目标

第2章 气溶胶粒子散射理论

2．2．1 麦克斯韦方程组

2．2．2 边界条件

2．2．3 单粒子光散射问题及频域宏观麦克斯韦方程组

2．2．4 斯托克斯参数

2．2．5 振幅散射矩阵

2．2．6 穆勒矩阵

2．3 T-matrix方法

2．3．1 T-matrix方法原理

2．3．2 T-matrix方法优缺点

2．3．3 T-matrix方法输入参数设置

2．4 本章小结

第3章 气溶胶粒子的偏振测量与理论计算原理

3．1 引言

3．3 实验方法

3．3．1 单分散气溶胶样品的产生方法

3．2．2 多分散气溶胶的测量方法

3．4 实验方案

3．5 气溶胶粒子散射截面和探测器角度的响应关系

3．5．1 探测器响应强度

3．5．2 探测器端面接收散射光角度范围

3．6 实验测得空气动力学粒径的理论计算

3．7 气溶胶粒子偏振探测计算

3．7．1 粒子取向选择

3．7．2 探测器响应模拟

3．8 本章小结

第4章 气溶胶粒子的偏振光散射过程的理论模拟与验证

4．1 引言

4．2 粒子尺寸与Pf、Z11、Z12的关系

4．3 折射率对Pf的影响

4．4 粒形纵横比与Pf、Z11、Z12的关系

4．5 实验数据分析

第5章 总结和展望

5．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果