Рассеяние света на частицах представляет собой процесс , с помощью которого мелких частиц (например , кристаллы льда , пыль , атмосферные твердых частиц , космическая пыль и клетка крови ) рассеивает свет вызывает оптические явления , такие как радуги , в синем цвете на небе , и ореолы .
Уравнения Максвелла являются основой теоретических и вычислительных методов, описывающих рассеяние света , но поскольку точные решения уравнений Максвелла известны только для выбранной геометрии (например, сферической частицы), рассеяние света частицами является разделом вычислительной электромагнетизма, имеющим дело с рассеянием электромагнитного излучения и поглощение частицами.
В случае геометрий, для которых известны аналитические решения (например, сферы , кластеры сфер, бесконечные цилиндры ), решения обычно вычисляются в терминах бесконечных рядов . В случае более сложной геометрии и для неоднородных частиц исходные уравнения Максвелла дискретизируются и решаются . Эффекты многократного рассеяния света частицами обрабатываются методами переноса излучения (см., Например, коды переноса излучения в атмосфере ).
Относительный размер рассеивающей частицы определяется параметром размера, который представляет собой отношение ее характерного размера к длине волны.
Точные вычислительные методы [ править ]
Метод конечных разностей во временной области [ править ]
Метод FDTD принадлежит к общему классу дифференциальных методов численного моделирования во временной области на основе сетки. Зависящие от времени уравнения Максвелла (в форме с частными производными) дискретизируются с использованием аппроксимации центральной разности частных производных по пространству и времени. Получающиеся в результате конечно-разностные уравнения решаются программно или аппаратно «скачкообразно»: компоненты вектора электрического поля в объеме пространства решаются в данный момент времени; затем компоненты вектора магнитного поля в том же пространственном объеме решаются в следующий момент времени; и процесс повторяется снова и снова до тех пор, пока желаемое переходное или установившееся поведение электромагнитного поля полностью не выработается.
Т-матрица [ править ]
Этот метод также известен как метод нулевого поля и метод расширенной границы (EBCM). Матричные элементы получаются согласованием граничных условий для решений уравнений Максвелла. Падающее, прошедшее и рассеянное поля разложены до сферических векторных волновых функций.
Вычислительные приближения [ править ]
Приближение Ми [ править ]
Рассеяние на любых сферических частицах с произвольным параметром размера объясняется теорией Ми . Теория Ми, также называемая теорией Лоренца-Ми или теорией Лоренца-Ми-Дебая, представляет собой полное аналитическое решение уравнений Максвелла для рассеяния электромагнитного излучения сферическими частицами (Bohren and Huffman, 1998).
Для более сложных форм, таких как сферы с покрытием, мультисферы , сфероиды и бесконечные цилиндры, существуют расширения, которые выражают решение в терминах бесконечных рядов. Существуют коды для изучения рассеяния света в приближении Ми для сфер, слоистых сфер, а также множественных сфер и цилиндров .
Дискретное дипольное приближение [ править ]
Существует несколько методов расчета рассеяния излучения частицами произвольной формы. Дискретное дипольное приближение является приближением мишени континуума конечного множеством точек поляризуемых. Точки приобретают дипольные моменты в ответ на локальное электрическое поле. Диполи этих точек взаимодействуют друг с другом через свои электрические поля. Существуют коды DDA для расчета светорассеивающих свойств в приближении DDA.
Примерные методы [ править ]
| Приближение | Показатель преломления | Параметр размера | Сдвиг фазы |
| Рэлеевское рассеяние | абс (мх) очень маленький | очень маленький | |
| Геометрическая оптика | очень большой | очень большой | |
| Теория аномальной дифракции | абс (м-1) очень маленький | х большой | |
| Сложный угловой момент | умеренный м | большой x |
Рэлеевское рассеяние [ править ]
Режим рэлеевского рассеяния - это рассеяние света или другого электромагнитного излучения частицами, которые намного меньше длины волны света. Рэлеевское рассеяние можно определить как рассеяние в режиме малого параметра размера .
Геометрическая оптика (трассировка лучей) [ править ]
трассировка лучейЭти методы могут аппроксимировать рассеяние света не только сферическими частицами, но и частицами любой заданной формы (и ориентации), если размер и критические размеры частицы намного больше, чем длина волны света. Свет можно рассматривать как совокупность лучей, ширина которых намного больше длины волны, но мала по сравнению с самой частицей. Каждый луч, падающий на частицу, может подвергаться (частичному) отражению и / или преломлению. Эти лучи выходят в направлениях, рассчитанных таким образом, с их полной мощностью или (при частичном отражении) с падающей мощностью, разделенной между двумя (или более) выходящими лучами. Как и в случае с линзами и другими оптическими компонентами, трассировка лучей определяет свет, исходящий от одного рассеивателя, и статистически комбинирует этот результат для большого количества случайно ориентированных и расположенных рассеивателей.можно описать атмосферные оптические явления, такие какрадуги из-за капель воды и ореолы из-за кристаллов льда. Доступны коды трассировки лучей для атмосферной оптики .
См. Также [ править ]
- Коды для электромагнитного рассеяния сферами
- Коды для электромагнитного рассеяния цилиндрами
- Коды приближения дискретных диполей
- Метод конечных разностей во временной области
- Рассеяние
Ссылки [ править ]
- Барбер, П. У. и С. К. Хилл, Рассеяние света частицами: вычислительные методы, Сингапур; Тинек, штат Нью-Джерси, World Scientific, c1990, 261 стр. + 2 компьютерных диска (3½ дюйма), ISBN 9971-5-0813-3 , ISBN 9971-5-0832-X (pbk.)
- Борен, Крейг Ф. и Дональд Р. Хаффман, Название «Поглощение и рассеяние света малыми частицами», Нью-Йорк: Wiley, 1998, 530 стр., ISBN 0-471-29340-7 , ISBN 978-0-471-29340- 8
- Хульст, Х. Ван де, Рассеяние света малыми частицами, Нью-Йорк, Dover Publications, 1981, 470 стр., ISBN 0-486-64228-3 .
- Керкер, Милтон, Рассеяние света и другое электромагнитное излучение, Нью-Йорк, Academic Press, 1969, 666 с.
- Мищенко, Майкл И., Джуп В. Ховениер, Ларри Д. Трэвис, Рассеяние света несферическими частицами: теория, измерения и приложения, Сан-Диего: Academic Press, 2000, 690 стр., ISBN 0-12-498660-9 .
- Страттон, Джулиус Адамс, Электромагнитная теория, Нью-Йорк, Лондон, книжная компания McGraw-Hill, Inc., 1941. 615 с.
