基于蒙特卡洛方法的粗糙表面光散射特性研究

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利用光子与生物组织、生物组织仿体的相互作用来研究生命现象一直是生物医学光子学这门新兴交叉学科的研究内容,它融合了光子学和生物学,是光子学的延伸,并且构成了现代医学诊断和治疗的基础。随着近年来激光在无损伤治疗诊断应用逐步增多,作为这类应用基础的生物组织,特别是活体生物组织光学参数以及粗糙表面对这些光学参数的影响逐步成为重要的研究对象。   本文首先介绍了生物医学光子学的研究内容,然后讨论了激光无损伤诊疗中遇到的问题,进而提出对生物组织光学参数的研究必将为这些问题提供基础解释,最终将主要目标放在了生物组织粗糙表面反射率以及粗糙表面散射光的研究,并讨论了生物组织粗糙表面的研究现状以及粗糙表面光散射的主要近似理论,进而研究了本文中使用的蒙特卡洛模型中的基本方法以及基础理论。   基于基尔霍夫近似建立了半无限粗糙表面光散射蒙特卡洛模型。并对不同粗糙度下不同入射角度下粗糙表面反射方向上的反射率曲线进行了模拟,对实验结果进行验证。   利用原子力显微镜对粗糙表面形貌以及粗糙度参数进行测量,为理论模拟提供原始数据。采用一套简单光路测量了粗糙表面反射方向上的反射光强,并最终与模拟结果对应,通过对实验结果的讨论,最终提出了两种反射率:局部反射率、沿反射方向反射率的观点。   利用蒙特卡洛模型模拟了粗糙表面影响下的散射光分布以及总反射光强,并对之进行分析发现,在低粗糙度情形下,反射方向上反射率的变化的主要原因是粗糙表面改变了散射光在粗糙表面上方的分布。基于上述情况,提出了一种加入匹配液的方法消除粗糙表面散射光影响,并对之进行实验验证,得出在忽略生物组织内部吸收以及散射情况下,该方法能够有效消除粗糙表面影响的结论。
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