非均匀介质内瞬态偏振辐射传递及光学参数重建

Aiming to reveal transient polarized radiative transfer mechanisms in inhomogeneous semi-transparent medium, and build an optical parameter reconstruction theory with high efficiency, precision and strong robustness, this project intends to carry out systematical and in-depth study on two key scientific problems including: the radiative transfer law under the combination action of time and polarization effect of the photon transportation, and transmission and reflection polarization on the optical interface; optical parameter reconstruction technology based on the transient vector radiative transfer.. This project will build the theoretical model to capture the transmission and reflection behavior of the polarized photon on the multi-dimensional optical interface, and put forward a numerical solution strategy to obtain the Stokes vector with high resolution on direction and time. Through numerical simulation and experimental research, this project intends to find and reveal the special radiative transfer phenomenon and effects under the combination action of the inhomogenous effect of the refractive index, scattering effect of the particles with irregular shape, time and polarization effect of photon transmission. Considering inhomogeneous distribution characteristics of the refractive index, a new optical parameters reconstruction theory based on the transient vector radiative transfer is put forward, and an high efficiency, strong robustness reconstruction algorithm is developed. This project tries to make full use of the time resolution and polarization information of the photon detected to improve image quantitative degrees of the reconstructed optical parameters.

本项目以明晰非均匀半透明介质内瞬态偏振辐射传递机制，构建高效、精确、强鲁棒性的光学参数重建新理论为目标，拟对2个关键科学问题开展深入系统的研究，包括：光子传输时间效应、偏振效应与光学界面透反射偏振效应的协同辐射传递规律；基于瞬态矢量辐射传递的多光学参数同时重建技术。.构建捕捉多维光学界面处偏振光子透反射行为的理论模型，提出对Stokes矢量具有精细方向及时间分辨率的数值求解策略，通过数值模拟和实验研究，发现和揭示折射率非均匀效应、非规则形状粒子散射效应、光子传输时间效应及偏振效应协同作用下的独特辐射传递光热现象与效应。考虑介质折射率非均匀分布特性，提出基于瞬态矢量辐射传递的多光学参数同时重建新理论，发展高效、强鲁棒性的重建算法，充分利用探测光子所包含的时间分辨及偏振态信息，提高光学参数重建图像量化度。

生物光学成像和无损诊断等应用中常常涉及几何形状复杂的参与性介质，因此复杂介质内偏振辐射传输问题的研究对相关领域的理论深入和技术进步具有重要意义。为了探索三维介质尺寸效应和壁面效应对偏振辐射传输问题的影响，研究了三维介质在外界平行光辐照作用下的偏振辐射传输问题。计算得到了介质壁面中中心点处的Stokes矢量对圆周角和天顶角的分布规律。结果表明Stokes分量在不同的圆周角上的天顶角分布规律具有较大的差异，介质底面的镜反射作用对右侧壁面中点处的Stokes分量I，Q和U的空间分布对称性影的响很大，而对Stokes分量V空间分布对称性的影响较小。将间断有限元方法应用于多维偏振辐射传输问题的求解，研究了二维半圆形介质、内含障碍物的半圆形介质，分析了透射壁面中心点上的Stokes矢量的角度分布规律和介质内能量分布规律，对比了不同形状介质入射壁面上Stokes矢量热流密度分布，总结了介质结构对偏振辐射信号的影响规律。针对传统数值方法在求解光学厚介质辐射传递问题对网格依赖性强的问题，本团队提出了求解辐射传递方程的离散统一动理学格式，该方法具有渐进保持特性和较低的数值耗散特性，时间步长不受光子平均自由程的影响，对于瞬态辐射传输问题，在光学厚时能够采用较大的时间步长；而对于稳态辐射传输问题，可以采用较少的网格得到收敛结果。.建立了各向异性超表面介导的纳米粒子间近场辐射换热理论模型，研究了石墨烯条带对粒子间近场辐射传热的调控作用。将序构的双曲多层平面超材料放置于两纳米粒子之间，实现了粒子辐射换热最高可达五个数量级的巨大增强。为粒子系统能量输运的调控提供了一种强有力的方法。提出了一种非互易石墨烯等离激元介导的纳米粒子热二极管，突破了以往基于材料介电函数的温度依赖性进行热整流的框架，为微纳米尺度热管理提供了新的思路。在本项目的支持下，课题组共计发表SCI论文16篇，其中6篇为负责人一作。