非均勻粒子電磁散射Debye級數(shù)展開及應用.pdf

1、在許多工業(yè)過程或科學研究中所遇到的粒子由于本身的性質、形成的機理、生產過程或實際需要等多種因素，其折射率呈現(xiàn)非均勻性，如生物粒子、大氣中有核凝結的粒子、梯度折射率光纖、噴霧燃燒室中的油滴等均為非均勻粒子。為了對這些粒子進行測量或操縱，光散射法是常用且有效方法，但其前提是需要對粒子散射機理和光學特性有清楚的了解。在眾多的電磁散射理論中，Debye級數(shù)既是一種嚴格理論，又可以對散射機理進行分析，具有特殊重要的意義。本文將在前人提出的均勻以及

2、雙層球粒子Debye方法的基礎上，系統(tǒng)研究非均勻球形粒子和非均勻無限長柱對平面波和有形波束散射的Debye級數(shù)展開及其在粒子測量等技術中的應用。本文主要研究工作和成果如下： 1.在均勻和雙層球粒子散射結果基礎上，推導出了多層球粒子對平面波散射的Debye級數(shù)展開公式，該公式可以從物理上給出非均勻球散射的明確解釋，對研究粒子散射特性有十分重要的意義，同時提出了一種快速穩(wěn)定的數(shù)值算法。 2.在經過數(shù)值驗證后，利用所編程序計算

3、并研究了一種特殊的彩虹現(xiàn)象--多一階彩虹。多一階彩虹包含了粒子各層的尺寸和折射率信息，對研究分層球粒子散射特性有很重要的意義，同時也可以用于粒子參數(shù)的測量；利用Debye級數(shù)可以分離出單種光線貢獻，便于研究單階彩虹強度和多階彩虹干涉強度分布，這是Debye級數(shù)的一個重要特點，所以它也提供了一種研究粒子散射特性和散射機理的重要方法。 3.推導了非均勻球粒子對有形波束散射的Debye級數(shù)展開公式，并以高斯波束為例對波束因子的計算進行

4、了研究。在積分區(qū)域近似法基礎上，推導出了一階高斯波束的波束因子計算的Bessel函數(shù)形式，該方法可以用來計算強會聚、離軸遠的波束，是一種快速穩(wěn)定的波束因子計算方法。一階彩虹現(xiàn)象是粒子散射特性彩虹測量法所采用的主要彩虹現(xiàn)象之一，因此利用得到的公式對一階彩虹散射機理進行了詳細研究。 4.研究了非均勻柱粒子對垂直入射平面波散射的Debye級數(shù)展開，同時提出了一種有效的數(shù)值算法。在。Intel Pentium 4 CPU 2.93GHz

5、、512M內存的計算機上，所計算的最大粒子尺度參量可達到8000，粒子層數(shù)為1000。這一限制取決于計算機內存。模擬了柱粒子下的單階強度和多階彩虹干涉強度后，對球、柱粒子遠場強度分布進行了比較。 5.在前面工作的基礎上研究了非均勻柱對有形波束的散射，給出了Debye級數(shù)展開公式。同時以高斯波束為例，給出了波束因子的主要計算方法：積分法和區(qū)域近似法。 6.利用矩陣形式，推導了非均勻柱對斜入射平面波散射的廣義Debye級數(shù)展

6、開(GDSE)公式。在斜入射情況下，由于交叉極化的出現(xiàn)，如果使用普通的Debye級數(shù)展開，公式推導將會變得十分復雜。而GDSE基于矩陣形式，推導過程將變得方便容易。最后模擬了均勻冰柱和三層光纖的遠場散射強度分布，并將其與已有文獻結果進行了對比，驗證了公式和程序的正確性。數(shù)值模擬了不同傾斜角入射時的一階彩虹強度分布，發(fā)現(xiàn)一階彩虹角會隨著傾斜角的增大而增大，得出了改變傾斜角與垂直入射時改變粒子折射率在數(shù)值上有相同效果的結論。最后模擬了梯度折