没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
水下悬浮球形藻类粒子群对拉盖尔-高斯涡旋光束的散射.docx
1.该资源内容由用户上传,如若侵权请联系客服进行举报
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
版权申诉
0 下载量 78 浏览量
2023-02-23
20:42:49
上传
评论
收藏 570KB DOCX 举报
温馨提示
试读
13页
水下悬浮球形藻类粒子群对拉盖尔-高斯涡旋光束的散射.docx
资源推荐
资源详情
资源评论
摘要
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。
Abstract
A large number of suspended algal particles exist in the underwater channels, which has
a significant impact on the transmission characteristics of laser signals. Therefore, by the
generalized Mie theory, a model for the scattering of Laguerre-Gaussian (LG) vortex
beams by underwater suspended spherical algal particles is built. Specifically, numerical
simulations of the effect of a single suspended spherical algal particle on the scattering
characteristics of LG vortex beams are conducted, and the influence of the particle
radius, beam waist radius, vortex beam order and topological charge on the differential
scattering cross sections of LG vortex beams is calculated. Then, the influence of the
underwater suspended spherical algal particle swarms on the differential scattering cross
sections of LG vortex beams is further discussed. The results indicate that in the case of
a single underwater suspended spherical algal particle, the differential scattering cross
section increases with the increase in the particle radius, vortex beam order and beam
waist radius, and decreases with the increase in the topological charge of vortex beams.
Regarding the underwater suspended spherical algal particle swarm, the differential
scattering cross section increases with the increase in the vortex beam order and beam
waist radius, and decreases with the increase in the topological charge of vortex beams.
1 引言
随着海洋资源探索的不断扩大和水下人类活动需求的增加,激光水下传输技术受到越来越
多的关注
[1]
。由于水下信道的复杂性和水下实验设备与技术的限制,故激光水下传输特性
理论的研究起步相对较晚。1963 年,Duntley 等
[2]
研究发现,与激光在大气中传输时类
似,激光在海水中传输时也存在一个“透光窗口”,波长在 470~540 nm 之间的蓝绿激光在
海水中传输时受到的粒子吸收和散射传输损耗较小,这为人们研究激光在水下的传输特性
提供了突破口。由于海洋信道的复杂性,故当激光在海水中传输时会受到海洋湍流和水下
悬浮粒子的共同影响。水下蓝绿光传输的衰减特性主要来自于海洋浮游植物粒子和海洋泥
沙粒子的吸收和散射作用
[3]
。其中,海洋浮游植物粒子主要为藻类粒子,在大洋水体中悬
浮藻类占主导地位,具有很强的光散射能力。因此,研究水下悬浮藻类粒子和粒子群的散
射特性对水下蓝绿光传输、激光探测和对潜通信等领域具有重要意义。
早在 1978 年,Morton 等
[4]
研究表明水中的悬浮藻类可能会吸收和散射光线。2001 年,
Morel 等
[5]
对多个水域的表观光学性质进行了研究,并建立了相应的生物光学模型,这为
后续研究海洋悬浮粒子的散射和吸收特性建立了理论基础。2006 年,Quirantes 等
[6]
研究
发现由均匀球形粒子模型计算出的藻类后向散射值比实际值小。2007 年,Svensen 等
[7]
讨论了细胞大小和细胞壁对藻类粒子的散射特性的影响。随后,Svensen 等
[8]
在之前工
作的基础上,进一步研究了不同形状、尺寸的藻类粒子的散射 Mueller 矩阵。2013 年,
Lee 等
[9]
数值计算了丝状蓝藻的散射特性,并指出理论结果与实验测量的结果存在一定误
差。Lain 等
[10]
和俞雪平等
[11]
分别于 2014 年和 2015 年利用核壳球理论建立了不同的悬
浮藻类模型。2015 年,Heng 等
[12]
基于 T 矩阵和等效涂层球方法建立了多种蓝藻的光学
特性模型。2018 年,Lehmuskero 等
[13]
对微藻的散射特性进行了研究,并指出微藻的光
学特性对海水颜色、水下光分布等都具有重要的影响。2020 年,Wang 等
[14]
利用偏振光
散射法来研究粒子光散射特性受藻类形态敏感度变化的影响,研究表明藻类细胞形态对粒
子光散射特性有很大的影响。2021 年,贺锦涛等
[15]
数值计算了 5 种主要团聚核壳藻类粒
子在蓝绿激光波段中的消光系数、吸收系数和散射系数随粒子尺寸的变化关系。综上所
述,对藻类粒子的研究目前主要集中在藻类粒子对激光的散射问题,但关于藻类粒子对涡
旋光束散射特性的研究较少。
涡旋光是一种具有相位奇点和螺旋波前的特殊光场
[16]
。在 Allen 等
[17]
提出拉盖尔-高斯
(LG)光束携带轨道角动量(OAM)后,由于 LG 光束在传输过程中,具有更大的传输容
量、更高的传输速率
[18]
和能够减小传输信道在传输过程中引起的光束畸变效应
[19]
,故
LG 光束受到了国内外学者的广泛关注,已被广泛应用于目标检测
[20]
、无线光通信
[21]
和
粒子操纵
[22]
等领域中。目前关于粒子对 LG 光束散射特性的研究较少。2009 年,Garbin
等
[23]
研究了介电球和金属球对 LG 光束的散射,论证了 LG 光束具有对介电粒子进行位移
检测的潜力。同年,吕宏和柯熙政
[24]
研究了具有轨道角动量的 LG 光束的空间传输特性
和单粒子散射特性。2012 年,赵继芝等
[25]
探究了单个球形粒子对 LG 光束的散射。同
年,Jiang 等
[26]
研究了 LG 光束在轴上入射均匀球体粒子时的散射。2013 年,欧军等
[27]
数值计算了 LG 光束在轴入射椭球粒子的散射特性。2014 年,Kiselev 等
[28]
利用远场匹
配方法研究了 LG 光束的粒子近场散射强度分布和相位变化情况。同年,谌娟等
[29]
对 LG
光束中的圆孔衍射、单缝衍射和方孔衍射进行了研究。2015 年,屈檀等
[30]
利用强度矩量
分析法得到了 LG 光束的波束宽度和发散角,研究了 LG 光束对癌细胞的散射特性。2016
年,Qu 等
[31]
对手性球对 LG 光束的散射特性进行了研究。2018 年,Qu 等
[32]
研究了两
个相互作用的均匀单轴各向异性球对 LG 涡旋光束的电磁散射。2018 年,徐强等
[33]
基于
米氏散射理论,计算了单个均匀球形粒子对 LG 光束的散射特性。同年,赵青松等
[34]
研
究了 LG 光束的轨道角动量传输态受单粒子散射的影响情况。2019 年,张闹等
[35]
探讨了
线偏振 LG 光束对球形粒子的捕获能力。目前关于粒子对涡旋光束的散射特性研究多是在
大气中,而关于水下粒子对涡旋光束的散射特性研究很少。由于海水环境比大气环境更复
杂,导致激光在海水中传输距离受限,海水下激光传输具有大容量和高速率的要求,因此
涡旋光束水下传输越来越受到重视。然而,在真实海水情况下,藻类粒子往往以粒子群的
形式存在
[36-37]
。因此,在单个悬浮藻类粒子对蓝绿涡旋光散射特性的基础上,建立悬浮
藻类粒子群对蓝绿涡旋光束的散射模型具有重要意义。
综上所述,目前国内外关于水下悬浮球形藻类粒子对蓝绿涡旋光束的散射特性的研究还较
少,由于悬浮藻类具有几何形状各异性,故对其进行解析和数值计算都非常困难。以海水
中的悬浮藻类为例,研究水下悬浮球形藻类粒子对 LG 蓝绿涡旋光束的散射特性,利用广
义 Mie 理论,建立了 LG 蓝绿涡旋光束在海水下的散射模型,并讨论了 LG 蓝绿涡旋光束
的不同参数和悬浮粒子半径对散射的影响。同时,考虑了水下悬浮球形藻类粒子群对 LG
蓝绿涡旋光束散射的影响。研究结果为水下单个复杂形态悬浮藻类颗粒或者随机分布的粒
子群涡旋光传输与散射特性的研究提供了理论基础。
2 理论模型
如图 1 所示,一 LG 波束沿 OzOz 方向传输。建立直角坐标系 O-xyz,原点 OO 为水下悬
浮球形粒子圆心。
剩余12页未读,继续阅读
资源评论
罗伯特之技术屋
- 粉丝: 3582
- 资源: 1万+
下载权益
C知道特权
VIP文章
课程特权
开通VIP
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 展开
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功