同心双层球对平面波的散射

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1、清华大学2010届毕业论文1绪论1.1研究背景及意义光传播时因与物质中分子或原子作用而改变其光强的空间分布、偏振状态或频率的过程，称为光的散射现象[1]。研究各种粒子的光散射特性一直是电磁光波传播和散射理论中的重要课题。光学测量技术以其非直接接触、准确、快速等优点，一直受到科研人员和工程技术人员的重视。在自然界中出现的彩虹是一种常见的大气光学现象，其产生的本质是由于大气粒子对光波的散射和吸收而引起的。激光制导武器是由激光照射目标，利用激光的漫反射来捕获目标，激光信号在大气中传输时，由于受到沙尘、云层、气溶胶等粒子以及大气粒子的散射和吸收会产生衰减和去极化现象[2-3]，而对这

2、些现象的研究对目标的跟踪、定位和识别具有重要的意义。在环境科学中，利用光的谱散射和吸收可以探测大气中的特定污染物，也可通过对激光波束在大气中传播时大气悬浮微粒对光束散射强度和极化度的测量来监测大气污染[4-8]，现在激光雷达己成为环境监测的主要手段之一。在燃烧技术中，可利用大量燃烧生成物组成的颗粒系对激光束散射强度的测量来研究燃烧的过程以及燃料燃烧的程度[9-10]。在生物医学领域，利用激光束的光镊现象可以实现对生物活体样品非接触无损伤的捕获和操纵[11-16]，特别适合于生物大分子、生物细胞的研究，而根据精确的电磁场动量守恒理论，可以给出光镊系统中微粒辐射捕获力的精确理论解

3、释及数值分析，从而对光镊实验仪器的技术改进、捕获力的实验测量过程、细胞的生物特性研究等起到重要的指导作用。采用激光作为光源对粒子以及颗粒系进行测量还有许多重要的用途，例如应用在研究颗粒系如水雾，标准溶液等对激光束散射特性的基础上形成的多粒子彩虹法测量技术来测量颗粒系的粒径分布[17]；以及用激光相多普勒仪，通过测量粒子散射强度和极化度来研究粒子的形状，尺寸，折射率和运动速度等。反过来，通过对上述各种情况下激光波束在复杂颗粒系中散射和传输特征的研究又促进了激光在已知和更多应用领域中的改进和开拓。因此研究粒子对激光束的散射有着重要的理论价值和实际应用前景。在处理如上所述的各种实际

4、问题时，我们经常采用一些简化的模型，如将粒子简化为球形、椭球形、圆柱形等。为了研究方便，人们起初将生产实践中的各种形第24页共24页清华大学2010届毕业论文状粒子简化成一个各向同性的均匀球形粒子，这种模型是最简单、最理想的，事实上也是对许多问题的一个很好的近似。由于实际问题的复杂化，同时粒子散射理论不断深入，为了使模型更加接近实际情况，用于科学研究的散射粒子模型逐渐演变成多层球、椭球、无限长柱等模型。本课题主要研究基于Mie理论的同心双层球对平面波的散射。1.2球形粒子对电磁波散射的国内外研究现状对球形粒子电磁散射的研究，从导体球到单层均匀介质球，再到多层介质球、从无耗到有

5、耗介质球、从各向同性到各相异性介质球、从平面波入射到有形波束入射，都已经相当系统和完善。对于各向同性均匀球形粒子对平面波的散射，Lorenz[18]和Mie[19]分别于1890和1908年求解了均匀介质球形粒子对平面电磁波的散射，称为Lorenz-Mie理论。VandeHulst[20]给出了由吸收物质和非吸收物质构成的球状、柱状和盘状粒子的详细计算。Aden和Kerker[21]在1951年首先给出了涂层球形粒子散射公式，并进行了详细的讨论。A.Brunsting[22](1972)等人研究了双层球粒子散射问题，并将双层球模型应用到了生物细胞散射研究中。Kerker[23

6、](1969)研究多层球电磁散射，获得了计算电磁散射系数的矩阵公式，Toon[24](1981)则对KERKER工作中的Bessel函数向上递推式中的数值误差进行了分析，并提出了一新算法以避免数值计算中出现大的误差。。J.Sinzig[25](1994)等人研究了多层球粒子散射和吸收问题。Bohren[26](1983)等人研究了多层球散射问题,并较为系统地分析了核壳球形微粒理论，给出了衰减截面、散射截面、吸收截面、后向散射截面等表达式，但未给出核壳相关参数对各截面影响的讨论。吴振森、王一平[27-28](1991)提出了一种计算多层球的数值方法，WernerJ.Glants

7、chnig[29](1981)等人利用几何近似方法研究了水滴的光散射。XuFeng[30](2004)等人利用全几何近似方法研究了双层球粒子前向散射问题，所得结果与米理论结果吻合很好。此外，还有很多中外学者研究了柱形粒子、椭球形粒子对平面电磁波的散射问题，本文不作详细介绍。上述是入射电磁波为平面波的情况，对于入射的有形波束，Davis在1979年提出了高斯波束的平面波角谱展开形式[31]，为研究粒子对波束的散射提供了一条途径。Gouesbet，Grehan等人根据Davis的结果，利用Bromwich公