氣溶膠濃度對(duì)偏振光傳輸特性的影響

宣建楠　隋成華　鄢波

摘要： 采用雙光路檢測(cè)配置條件，結(jié)合 Mie 氏理論，運(yùn)用斯托克斯矢量形式，以煙霧模擬特定氣溶膠環(huán)境，探究偏振光經(jīng)過(guò)不同煙霧環(huán)境的傳輸變化情況。考慮到大氣氣溶膠成分、質(zhì)量濃度和顆粒大小以及光源的波長(zhǎng)和偏振態(tài)等多因素的影響，主要在氣溶膠質(zhì)量濃度和光源配置方面進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同煙霧質(zhì)量濃度時(shí)，水平線偏振光的偏振特性基本不改變，右旋偏振光和45°線偏振光退偏程度隨煙霧質(zhì)量濃度的增加而增加，460 nm和556 nm波長(zhǎng)的偏振光在變化趨勢(shì)上保持一致。

關(guān)鍵詞： 偏振態(tài)； 斯托克斯矢量； 氣溶膠

中圖分類(lèi)號(hào)： TH74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.04.014

Abstract： This paper used smoke to simulate specific aerosol environment. Based on Mie′s theory and Stokes vector， two-ray-path detector explored the change of the polarization state when the different polarized light passed the smoke. There were many factors including the atmospheric aerosol composition， concentration， particle size and the wavelength and polarization state of light source. Mainly the aerosol concentration and light source configuration were studied and measured. The results show that the different mass concentration of the smoke cannot change the horizontal linear polarization state. Degree of polarization of 45° linear polarized light and circular polarized light decreases with the increase of mass concentration of smoke. The change trend of degree of polarization on 460 nm wavelength is similar with that on 556 nm.

Keywords： polarization state； Stokes vector； aerosol

引 言

自然環(huán)境中，存在著大量微小粒子群，如大氣中的氣溶膠粒子、煙氣中的粒子等，入射偏振光通過(guò)介質(zhì)散射后，偏振態(tài)通常與入射時(shí)并不一致，分析多種散射偏振特性可以檢測(cè)散射介質(zhì)的內(nèi)部特征，研究這些粒子對(duì)光波的傳輸特性影響在大氣科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)中有著重要意義。另一方面，隨著信息科學(xué)的興起，大氣中存在大量攜帶信息的光信號(hào)，必然與大氣發(fā)生作用，在特定環(huán)境或已知條件的空間進(jìn)行偏振傳輸時(shí)，可以從中提取更多的重要信息，對(duì)通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)、大氣遙感和目標(biāo)探測(cè)等方面具有非常重要的意義。目前，在偏振性的研究上，如氣溶膠成分、質(zhì)量濃度和顆粒大小以及光源特性方面，系統(tǒng)的研究并不多。本文主要通過(guò)Mie散射理論和斯托克斯矢量[1]，研究多種偏振光在煙霧環(huán)境中的偏振傳輸變化[2-7]，對(duì)多因素影響下偏振光在散射介質(zhì)中的一般傳輸特性進(jìn)行了定性和定量的分析，為今后進(jìn)一步系統(tǒng)研究打下基礎(chǔ)。

1 基本理論

1.1 氣溶膠

大氣環(huán)境中常引入氣溶膠的概念來(lái)描述環(huán)境中顆粒的尺寸范圍。一般來(lái)說(shuō)，氣溶膠是指懸浮在氣體中的由小粒子構(gòu)成的多分散系，其顆粒半徑范圍為0.001～100 μm，而環(huán)境中往往包含了大量的微小顆粒。根據(jù)粒子尺度α = 2 πr/λ作為判別標(biāo)準(zhǔn) （其中，r為粒子半徑，λ為波長(zhǎng)）：（1） α 1，稱(chēng)為Rayleigh散射或分子散射；（2） 1<α <50，稱(chēng)為Mie 散射或大顆粒散射；（3） α > 50，屬于幾何光學(xué)散射范疇。文中主要采用的煙霧顆粒尺度（r為0.1～1.2 μm即α 為1.2～13.5）在Mie散射范圍[8]，且主要討論前向散射模型[9]。在前向散射中有過(guò)關(guān)于子彈光和蛇形光[10]的研究，本實(shí)驗(yàn)中采用一定濃度的煙霧，可以忽略子彈光的影響。

1.2 Mie矩陣散射理論和斯托克斯矢量測(cè)量原理

斯托克斯早期提出用4個(gè)參量描述光波的強(qiáng)度和偏振態(tài)，4個(gè)參量都是光強(qiáng)的時(shí)間平均值，它可以描述所有偏振態(tài)，再結(jié)合Mie散射理論中米勒矩陣可以描述光在介質(zhì)中的偏振傳輸特性。由于較難直接測(cè)量它的相位關(guān)系，常通過(guò)測(cè)量光經(jīng)過(guò)偏振片和相位延遲器不同組合后的光強(qiáng)值，間接計(jì)算得到斯托克斯參量。以下給出了一種測(cè)量公式[11-12]：

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

主要采用涵蓋2種波段（460 nm和556 nm）的窄帶濾光片、四分之一波片以及線偏振片的組合裝置構(gòu)成多種入射光，測(cè)量裝置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的起偏和檢偏光路部分主要分為前后A和B 2個(gè)部分：A部分主要由濾光片和相應(yīng)波段的四分之一波片以及偏振片構(gòu)成。為獲得不同波長(zhǎng)的不同類(lèi)型的偏振光，實(shí)驗(yàn)中采用460 nm和556 nm的濾光片以及相應(yīng)波段的四分之一波片配合偏振片多種方式組合而成。B部分主要包括相應(yīng)的四分之一波片和線偏振片。

系統(tǒng)入射光起偏方法：入射光是色溫為5 600 K的標(biāo)準(zhǔn)白光光源，通過(guò)改變?yōu)V光片種類(lèi)可以獲得不同波長(zhǎng)的光，通過(guò)加入偏振片可以獲得水平偏振光或45°線偏振光，再加入波片可以獲得圓偏振光。系統(tǒng)出射光檢偏方法：設(shè)被考查光是持續(xù)穩(wěn)定的，組合測(cè)量裝置選取為一個(gè)四分之一波片、一個(gè)可旋轉(zhuǎn)線偏振器和一個(gè)光功率測(cè)量裝置。測(cè)量步驟為：1）在光路中只加入線偏振器，通過(guò)旋轉(zhuǎn)線偏振器來(lái)改變?chǔ)?角度，分別使θ 為0°、45°、90°測(cè)量光強(qiáng)得到I（0°，0）、I（45°，0）、I（90°，0）；2）在光路中再加入四分之一波片，通過(guò)旋轉(zhuǎn)線偏振器來(lái)改變?chǔ)?角度使θ 為45°，測(cè)量光強(qiáng)得到I（45°，π/2）。將測(cè)量所得光強(qiáng)值分別代入以上式（1）中。

本裝置中有2路探測(cè)光信號(hào)的光路，其中一路為參考光路，另一路則為實(shí)驗(yàn)光路，即通過(guò)分光鏡產(chǎn)生2路相同的光，一路保持不變，另一路則經(jīng)過(guò)霧室。實(shí)驗(yàn)在常溫常濕下進(jìn)行，用粉塵儀測(cè)定煙霧質(zhì)量濃度。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

表2為460 nm右旋偏振光經(jīng)過(guò)不同煙霧質(zhì)量濃度時(shí)的斯托克斯矢量變化情況，隨著煙霧質(zhì)量濃度增加，V分量明顯減小，Q和U分量變化不明顯，P偏振度明顯減小，變化趨勢(shì)與V分量近似。表3為460 nm的45°線偏振光入射時(shí)，隨煙霧質(zhì)量濃度增加，U分量明顯減小，Q和V分量變化不明顯，P偏振度明顯減小，變化趨勢(shì)與U分量近似。表4為水平線偏振光入射時(shí)，隨煙霧質(zhì)量濃度增加，Q、U和V分量基本不變，偏振度變化不明顯，保持較好的最初偏振特性。圖2顯示了3種偏振光的偏振度與煙霧質(zhì)量濃度的關(guān)系，隨著煙霧質(zhì)量濃度的增加，3條退偏曲線出現(xiàn)明顯的不同。實(shí)驗(yàn)中偏振光的偏振特性變化與通過(guò)均勻且各向同性球形粒子后的單次Mie散射理論相吻合，在煙霧室中水平線偏振光可以保持很好的偏振態(tài)。而隨著煙霧質(zhì)量濃度增加，實(shí)際為復(fù)雜的多次散射，由于顆粒本身的形狀大小等屬性并非嚴(yán)格的各向同性球形粒子，出現(xiàn)了退偏和保偏現(xiàn)象。

表5為556 nm的右旋偏振光入射時(shí)斯托克斯矢量變化情況，V分量隨著煙霧質(zhì)量濃度增加而明顯減小，Q和U分量變化不明顯，P偏振度明顯減小。表6為45°線偏振光入射時(shí)，U分量隨煙霧質(zhì)量濃度增加而減小但趨勢(shì)變緩，Q和V分量變化不明顯，P偏振度明顯減小。表7為水平線偏振光入射時(shí)，隨煙霧質(zhì)量濃度增加，Q、U和V分量基本不變，偏振度變化不明顯，保持較好的最初偏振特性。由圖3可以看出，3種偏振光隨著煙霧質(zhì)量濃度的增加，其退偏曲線出現(xiàn)明顯的不同。

比較圖2和圖3，相同煙霧條件，兩個(gè)波長(zhǎng)的偏振光傳輸變化趨勢(shì)相近。由于兩個(gè)波長(zhǎng)比較相近，實(shí)際的顆粒尺度數(shù)相近，都在Mie散射范圍中，考慮到多次散射帶來(lái)的差異，相同的偏振變化趨勢(shì)符合基本理論。

3 結(jié) 論

通過(guò)改變煙霧質(zhì)量濃度，可以改變偏振光的偏振傳輸特性，而相近波長(zhǎng)的偏振光的偏振度變化曲線差異不明顯。水平線偏振光入射時(shí)：隨煙霧質(zhì)量濃度增加基本不改變?nèi)肷涔馄裉匦裕挥倚窆夂?5°線偏振光入射時(shí)偏振度都有明顯隨煙霧質(zhì)量濃度增加而減小；而當(dāng)煙霧質(zhì)量濃度較低時(shí)，偏振態(tài)變化趨勢(shì)較緩，可以做到保偏。本文為偏振光在不同氣溶膠質(zhì)量濃度的偏振傳輸研究提供了重要依據(jù)，也為偏振光在不同氣溶膠成分以及顆粒大小形狀等方面的研究提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 廖延彪.偏振光學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2003：45-62.

[2] UGOLNIKOV O S，POSTYLYAKOV O V，MASLOV I A.Effects of multiple scattering and atmospheric aerosol on the polarization of the twilight sky[J].Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer，2004，88 （1/3）：233-241.

[3] 楊利紅，柯熙政，馬冬冬.偏振激光在大氣傳輸中的退偏研究[J].光電工程，2008，35（11）：62-67.

[4] 覃彬.基于Mie散射天空偏振光特性的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2013：4-12.

[5] 陳璐玲，楊暉，鄭剛，等.動(dòng)態(tài)線偏振光散射納米顆粒粒度測(cè)量法的研究與分析[J].光學(xué)儀器，2010，32（5）：1-5.

[6] 郝增周，龔芳，潘德?tīng)t，等.沙塵氣溶膠粒子群的散射和偏振特性[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（1）：6-14.

[7] 張倩倩，高雋，徐小紅，等.多粒子散射的偏振傳輸特性分析[J].中國(guó)激光，2012，39（12）：184-191.

[8] 蔡君蘭，趙明月，楊軍.卷煙側(cè)流煙氣研究進(jìn)展[J].煙草科技，2002（7）：22-25.

[9] MA L Z，SHI P，ZHANG W Z，et al.New forward scattering model for polarized light propagating in atmosphere[J].Journal of Applied Optics，2010，31（3）：503-507.

[10] 隋成華，范競(jìng)藩.子彈光霧中成像的研究[J].光學(xué)儀器，1997，19（4/5）：3-6.

[11] 覃兆宇，程兆谷，張志平，等.偏振光斯托克斯參量的高速實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（4）：659-662.

[12] 陳衛(wèi)斌，顧培夫.偏振光的Stokes矩陣表示及應(yīng)用[J].光學(xué)儀器，2004，26（2）：42-46.

（編輯：劉鐵英）