偏心粒子對有形波束散射及橢球粒子的彩虹特性.pdf

1、電磁(光)波與各種規(guī)則及非規(guī)則目標之間相互作用的研究一直是國際上研究的熱點課題之一，它對生命科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等諸多領(lǐng)域?qū)W科的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)作用和實際意義。從文獻的檢索結(jié)果來看，在以往很長時間內(nèi)，該課題的相關(guān)研究都主要集中在對均勻球形粒子與平面波之間相互作用的分析上。隨著激光的發(fā)明和廣泛應(yīng)用，平面波目標散射理論在實際測量中的預(yù)測仿真作用遭遇到很大限制，而有形電磁(光)波波束與自然界中普遍存在的非均勻粒子以及非球形粒子之間相互作用的相

2、關(guān)理論研究成為成為促進電磁(光)波測量精度繼續(xù)提升的重要手段之一，并逐漸成為近年來研究的重點和熱點。
　　 本論文圍繞偏心球粒子(散射目標內(nèi)部組成成分分布不均勻情況下的物理模型)對任意方向入射有形波束的散射問題以及橢球粒子(散射目標外表面發(fā)生形變情況下的物理模型)的彩虹特性展開相關(guān)研究。本論文的主要研究工作和成果在于以下幾點：
　　 1.基于有形波束的球矢量波函數(shù)展開式，利用球矢量波函數(shù)的旋轉(zhuǎn)加法定理和平移加法定理，推導(dǎo)

3、了任意方向入射有形波束的波束因子在任意直角坐標系之間相互轉(zhuǎn)換的一般關(guān)系式。以軸對稱波束為例，給出了軸對稱波束波束因子在任意直角坐標系下相互轉(zhuǎn)換的簡化解析表達式，可直接用于數(shù)值計算編程。分析了波束因子區(qū)域近似求解法與坐標系旋轉(zhuǎn)變換之間的兼容性和局限性，對區(qū)域近似法的應(yīng)用起到補充和修正的作用。用區(qū)域近似法求解并給出了的高斯波束波束因子的具參考數(shù)值，驗證了理論和數(shù)值求解的正確性。
　　 2.基于廣義洛倫茲米理論(Generalized

4、 Lorenz-Mie Theory，GLMT)，利用球矢量波函數(shù)的平移加法定理，結(jié)合電磁場目標散射問題的邊界條件，詳細推導(dǎo)了偏心球粒子對任意方向入射有形波束散射問題的求解。基于理論推導(dǎo)結(jié)果，利用FORTRAN語言編寫了一套用于求解偏心球粒子電磁(光)波波束散射問題的程序。相對于已發(fā)布的程序而言，本論文程序主要有以下幾點改進和修正：(Ⅰ)引入了有形波束的概念，通過數(shù)值求解波束的波束因子，實現(xiàn)了偏心球粒子對任意方向入射有形波束散射問題的求

5、解。而平面波則作為有形波束的一種簡單特殊情況加以分析；(Ⅱ)能夠預(yù)測仿真有形波束照射下偏心球粒子內(nèi)場、表面近場以及遠場三維空間內(nèi)電磁散射強度的分布，拓展了實際應(yīng)用范圍。(Ⅲ)優(yōu)化了Riccati-Bessel函數(shù)，連帶Legendre函數(shù)等基本函數(shù)的計算，利用Mackowski給出的迭代公式數(shù)值求解了球矢量波函數(shù)平移加法定理中的平移系數(shù)，提高了程序的穩(wěn)健性；(Ⅳ)利用FORTRAN90語言編寫程序，提高了程序的可移植性和可讀性。

6、　　 3.以廣泛應(yīng)用的高斯激光波束為例，從數(shù)值上研究了偏心球粒子在有形波束照射下偏心球粒子的遠場、表面近場和內(nèi)場三維空間電磁強度的分布情況。討論分析了高斯波束束腰半徑、高斯波束入射方向、大球和內(nèi)核小球球心距離、偏心內(nèi)核相對尺寸參數(shù)大小等因素對各部分電磁場空間分布的影響，對正確認識粒子與波束之間相互作用，對粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測和識別，以及粒子內(nèi)部各種非線性光學(xué)現(xiàn)象，例如受激拉曼散射，受激布里淵散射等的發(fā)生提供重要的信息。
　　 4

7、.研究了偏心球粒子在匯聚高斯波束激發(fā)下的光學(xué)振蕩特性。通過模擬計算偏心球粒子的后向散射強度及微分消光截面隨粒子尺寸參數(shù)變化譜，研究了內(nèi)核小球粒子在不同相對尺寸大小，不同偏心度下對偏心球中形態(tài)共振模諧振位置和諧振振幅的影響。給出了匯聚離軸高斯波和平面波照射下，偏心球粒子在諧振以及非諧振情況下內(nèi)場強度的空間分布。
　　 5.基于擴展邊界條件法(Extended Boundary Condition Method，EBCM)，推導(dǎo)了各

8、向同性及各向異性散射目標電磁散射求解的傳輸矩陣。針對多粒子散射體系，利用單次散射模型，推導(dǎo)了取向隨機任意的粒子群對平面波散射的解析解。通過將散射矩陣的解析表達式用一般球諧函數(shù)的級數(shù)來展開，得到了散射問題的快速解法。利用擴展邊界條件法，數(shù)值模擬了取向隨機任意分布的橢球粒子群在不同粒徑分布和不同橢球率分布下對平面波的散射特性，分析了彩虹角附近遠場散射場的強度空間分布情況。利用基于Nussenzveig球形粒子平面波散射理論，通過非負最小二乘