一、粒子光散射理论与应用
光波通过粒子时会发生散射，散射光的强度分布、偏振特性、光谱特性等都与散射体本身的特性有关。通过对散射光的测量，可以得到散射体结构的许多信息。基于粒子的光散射理论，发展了大量的光学粒度测量技术，例如相多普勒、消光法、彩虹技术和小粒子成像技术，在多相流、燃烧过程、生物医学等领域中存在着广泛的应用。此外，粒子光散射理论在微小粒子的光学操控技术中也发挥着重要的作用。
图1 典型的散射体：生物细胞、纳米颗粒以及燃油粒子
目前课题组在Mie理论，Debye，GOA以及VCRM等光散射算法研究方面拥有三十年的工作积累和很好的研究基础，并发表多篇高质量论文。课题组与法国鲁昂大学&CORIA研究所的任宽芳教授保持长期密切的合作关系，使得课题组紧跟国际前沿。任教授提出并发展了矢量复射线模型（VCRM），可用于研究任意形状物体的散射特性。
图2 矢量复射线(VCRM)中波阵面作用示意图
图3 大尺寸椭柱粒子的光散射计算（光线追迹与VCRM计算结果）
图4 双层柱的双一阶彩虹信号（光线追迹与Debye计算结果）
图3为基于VCRM，开展的大尺寸、大椭偏比、倾斜椭柱光散射计算结果。我们提出的非均匀球柱粒子Debye散射模型及算法为大尺寸非均匀球柱粒子光散射机理分析及散射特性研究提供有力的数值计算工具，图4为双层球Debye算法模型计算的双一阶彩虹分布。
激光彩虹测量方法对于球(柱)粒子直径测量具有高灵敏度、高精度、低成本的特点，通过球(柱)一阶彩虹Ripple结构特性测量直径和直径的微小变化，对毫米量级的液滴直径测量精度为微米级别，对直径的变化量测量精度可达到纳米量级。
图5 一定直径下球粒子相对2500μm球粒子一阶彩虹强度分布相位差与直径的关系曲线
（m=1.3322，用于计算FFT的强度角范围137°-142.2°，角度步长0.001，数据点数4096）
图6 液体射流的激光彩虹测量实验系统
图7 3D液体射流的建模与散射光线追迹
课题组在粒子的激光彩虹测量技术应用研究中，有着二十多年的研究基础，在国际上有一定的影响力。首次利用激光彩虹测量技术测量Au纳米颗粒的光热效应转换，基于球形液滴的彩虹结构可非接触高灵敏度的测量包涵纳米颗粒液滴的折射率/温度，其中温度的测量精度可优于0.1℃，温度变化量的测量精度达1℃。
图8 含Au纳米颗粒液滴的一阶及二阶彩虹
图9 含Au纳米颗粒液滴温度随时间变化
目前，课题组的部分研究工作重点放在液体射流的光散射特性研究上，有望实现通过激光彩虹超高速测量方法，实时无接触地测量射流的几何形态/温度场随时间变化特性。此外课题组近期利用激光彩虹测量方法在液体的蒸发率高速高精度测量、纳米粒子光热特性高精度测量方面也取得积极的进展。
部分研究成果：
[1] Qingwei Duan, Ruliang Zhong, Xiang'e Han, Kuan Fang Ren, Influence of spatial curvature of a liquid jet on the rainbow positions: Ray tracing and experimental study, JQSRT, 2017, 195, 156-163,
[2] K. Jiang, X. Han, and K. F. Ren, “Scattering of a Gaussian beam by an elliptical cylinderusing the vectorial complex ray model”, Opt. Soc. Am. A, 2013, 30, 1548-1556 .
[3] Li R, Ren K F, Han X, et al. Analysis of radiation pressure force exerted on a biological cell induced by high-order Bessel beams using Debye series[J]. JQSRT, 2013, 126: 69-77.
[3] Keli Jiang, Xiang’e HAN, and Kuan Fang Ren. Scattering from an elliptical cylinder by using the vectorial complex ray model. Appl. Opt, 2012, 51(34): 8159-8168.
[4] Renxian Li, Xiang’e Han, et al. Debye series for light scattering by a multilayered sphere. Applied Optics. 45(6),2006, PP:1260-1270
[5] 李仁先. 非均匀粒子电磁散射Debye级数展开及应用[D]. 西安电子科技大学, 2008.
[6] 胡月. 液柱激光彩虹测量及应用研究[D]. 西安电子科技大学,2013.
[7] 罗道斌. Au纳米颗粒溶液光热效应及激光彩虹法测量[D]. 西安电子科技大学，2017.
二、金纳米粒子光散射理论与应用
金属纳米颗粒由于独特的局域表面等离激元共振光学特性，在共振波长处对光的吸收和散射增强，从而导致纳米颗粒呈现强烈的光吸收、散射以及散射光偏振特性。基于这些独特的光学特性，金属纳米颗粒在生物医学、化学催化、信息存储、能源、环境等众多领域得到广泛应用。
图10 不同金纳米颗粒样品实物图
粒径和浓度分布是金属纳米颗粒的两个重要参数，它们不仅直接影响到颗粒的光学性能，而且决定着Au纳米颗粒在实际应用中的性质和行为。在Au纳米颗粒的制备、表征及实际应用中粒径和浓度分布的准确测量至关重要。通过对金属纳米粒子溶液消光谱和散射光谱的测量，同时反演获得到金属纳米颗粒的粒径和浓度分布的测量方法具有很好发展前景
课题组利用Mie理论、T-matrix、DDA等算法开展了金纳米颗粒光学特性的研究。基于Mie理论计算了纳米球的共振光学特性，研究了纳米球的消光特性及。
图11 Au纳米球几何模型 图12 Au纳米球壳体积后向散射和吸收系数乘积随尺寸的变化
课题组首次把光谱消光法用于多分散球形Au纳米颗粒系的粒分布和浓度分布测量，并设计了光谱消光法的实验系统，为Au纳米颗粒粒径和浓度分布的测量提供了简单、快速、低成本的方法。
图13 光谱消光法测量实验系统
图14 NS-60的Au纳米颗粒样品的消光谱及反演的粒径分布
在球型金纳米颗粒光学特性的研究基础上，基于T矩阵方法，研究了金纳米椭球、圆柱、纳米棒等非球形纳米颗粒的吸收及散射光学特性，不仅为非球形金属纳米颗粒的应用研究提供理论基础，同时为基于光吸收/散射特性的非球形纳米颗粒二维尺度分布及浓度分布测量研究提供反演工具。
图15 金纳米棒几何模型
图16 不同尺寸下的金纳米棒的消光特性 图17 不同尺寸下的金纳米棒的散射特性
课题组在金纳米球尺寸、浓度分布的反演方法基础上开展了金纳米棒的尺寸（直径和长度）分布和浓度分布测量方法研究，基于实验测量的金纳米棒的消光谱，反演了金纳米棒的浓度及尺寸分布，初步的反演结果表明该方法具有很好的发展潜力，在测量方法及反演算法上具有很大的改进空间。
图18 金纳米棒的消光谱及反演的粒径分布
表1 Au纳米颗粒样品粒径和浓度反演结果
目前，研究工作重点放在金纳米棒二维尺寸分布和浓度分布的同时反演的实验方法和算法改进，有望通过消光谱和散射谱结合的方法来实现。此外，多种复杂形状的金纳米颗粒光学特性研究有待开展。
部分研究成果：
[1] Paerhatijiang Tuersunand Xiang’e Han. Optical absorption analysis and optimization of gold nanoshells [J].Applied Optics,2013, 52(6): 1325-1329.
[2] Paerhatijiang Tuersunand Xiang’e Han. Optimal dimensions of gold nanoshells for light backscattering and absorption based applications [J].Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 2014, 146: 468-474.
[3] Paerhatijiang Tuersun and Xiang’e Han. Optimal design of gold nanoshells for optical imaging and photothermal therapy [J]. Optik, 2014, 125(14): 3702-3706.
[4] Han Xiange, Liu ying, Paerhatijiang Tuersun. Measurement of size and concentration of gold nanorods by spectral extinction method[J]. LIP2016,Apr. 22-26, 2016,
[5] Liu ying, Han Xiang'e, Chen jun. Optical properties and optimization of Au nanorods[C]. CSQRWC2015, Xi'an, China, August 12-15, 2015.
[6] 段璐杰, 韩香娥. 基于散射光谱的多分散金纳米棒颗粒系尺寸浓度分布反演[C]. 中国颗粒学会第九届学术年会, 成都: 2016, 8.
[7] 罗道斌, 韩香娥, 段璐杰. 球形Au纳米颗粒的消光特性及不同折射率环境下的共振波长[J]. 光学精密工程, 2017, 25(3): 625-631.
[8] 罗道斌, 韩香娥, 段璐杰. 温度变化环境中Au纳米球光学性质的研究[J]. 光子学报, 2017.
