光在高散射媒质中传输特性的数值模拟

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利用低相干动态光散射技术研究光在高散射媒质中的传输特性,在实验上可通过低相干干涉计对散射光的测量得到可分割光程的背散射光的功率谱。然而,与之相对应的解析理论只有适用于单散射领域的单散射理论以及适用于充分复散射领域的扩散波光谱理论。由于复散射的复杂性,对于介于两者之间的复散射领域到目前为止还没有一个有效的理论解析方法。   为研究光子在高散射媒质中的传输特性,本文将高散射媒质等效为离散的球形散射体集合。在Monte Carlo方法的基础上,提出一种新的椭圆算法来确定高散射媒质中散射点的分布。根据Mie散射理论和光子辐射输运方程,结合模拟解析得到的散射点的分布,得到不同粒径、不同光程下光子散射次数的分布以及不同散射阶数下的散射光强分布,从而实现光子在高散射媒质中不同区域的动态传输特性的数值解析。通过数值模拟可得:在短光程区域,主要以单散射为主,复散射的影响很小;随着光程的增加,复散射的影响越来越重要,当光程足够大时以复散射为主。在单散射区域和扩散散射区域分别与单散射理论预测和DWS理论预测及相应区域的实验结果都符合的比较好;在单散射和扩散散射的中间区域,与实验结果比较吻合。数值解析结果表明光子在高散射媒质中的传输过程本质上是光子的复散射过程,这种数值解析方法能有效对高散射媒质中光子从单散射区域到复散射到扩散散射区域的全光程的动态传输特性进行解析。
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