资源描述：
《聚合物中多重光散射传导的montecarlo数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、计算物理第24卷第4期Vol.24,No.42007年7月CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALPHYSICSJul.,2007[文章编号]10012246X(2007)0420457206聚合物中多重光散射传导的MonteCarlo数值模拟马常群,唐振方,张杰,叶勤(暨南大学物理系,广东广州510632)[摘要]基于米氏散射(Miescattering)理论,建立填充分散粒子群的聚合物对光散射传导的MonteCarlo数学模型.在此基础上,编写了一套仿真模拟程序.通过模拟单个光子在聚合物中的多重散射运动过程,把问题扩展到以激光束或线状光为入射源,得到在聚合物板块内的光
2、传导情况,并且在计算机上图像化地重现整个物理过程,对输出光强的分布情况进行模拟统计分析.模拟结果表明,利用体散射机制,可以将点光源和线光源转换为平面光输出,输出光的状态可以通过对比计算结果实施有效控制.[关键词]米氏散射理论;MonteCarlo方法;散射聚合物;多重光散射;数值模拟[中图分类号]O411;O436[文献标识码]A0引言随着对光散射原理应用的深入化和精确化,单一的实验分析已经不能满足要求.在更多的实际应用中,要求能基于理论预先进行准确模拟,以获取高精确度的数据,从而降低实验成本,这种要求有时甚至必不可少.同时,理论模拟分析也是研究创新设计方案的重要途径.在基质内掺杂一定浓度
3、的微米或亚微米级球形颗粒所形成的散射聚合物中,光散射传导的仿真模拟是一个非常有趣的问题,现有的大批新技术都是以该过程为基础.研究其特性,在光学测量和光学器件设计领域非常重要.如最新的液晶显示背光技术利用聚合物基质中的体散射作为光的转换机制,该技术的设计过程完全依赖于聚合物中光传导仿真模拟计算的结[1,2][3]果;测量大气中尘埃颗粒的分布也可以应用该物理模型.在深入分析光多重散射原理的基础上,采用MonteCarlo方法,本文作者编写了一套完整的模拟仿真程序,计算了光在掺杂球形粒子群的介质中的传导过程.并通过建立光源等实际光学器件的数学模型,将基本计算延伸到实际应用的模型中,从大量的计算结
4、果中,提取了具有指导意义的物理规律.1基础理论本研究涉及的颗粒尺度在亚微米和微米量级.在此范围内,粒子对可见光波段的光散射属于米氏(Mie)[4]散射范围.米氏散射公式是利用电磁波理论计算光和物质相互作用得到的严格数学解.当散射粒子的线度和光的波长相接近时,根据米氏散射理论,在粒子周围介质中,波长为λ、光强为I0的单色非偏振光平行入射到直径为D的各向同性球形粒子上,得到散射系数以及在散射方向角为θ、距离粒子r处的散射光强分别[4,5]为(图1)∞222K(a)=2∑(2n+1)(
5、an
6、+
7、bn
8、),(1)an=12λ(i1+i2)I=I0,(2)2πr2其中图1散射坐标图Fig11Coo
9、rdinatesystemofscattering[收稿日期]2006-04-04;[修回日期]2006-08-08[基金项目]广东省科技计划项目(2005B10201055)及广州市科技计划项目(2005Z32D0041)资助项目[作者简介]马常群(1982-),男,广东潮阳,从事计算物理方面的研究.458计算物理第24卷∞22n+1dPn(cosθ)d(1)i1=∑n(n+1)an+bnPn(cosθ),n=1d(cosθ)dθ(3)∞22n+1d(1)dPn(cosθ)i2=∑n(n+1)anPn(cosθ)+bn,n=1dθd(cosθ)i1,i2分别对应两种偏振方向,对它们取平均
10、则代表自然光.φn(a)φ′n(ma)-mφ′n(a)φn(ma)mφn(a)φ′n(ma)-φ′n(a)φn(ma)an=,bn=,(4)ζn(a)φ′n(ma)-mζ′n(a)φn(ma)mζn(a)φ′n(ma)-ζ′n(a)φn(ma)zπ1P2zπ1P2(2)φn=()Jn+1P2(z),ζn=()Hn+1P2(z),(5)22a=πDPλ为粒子的尺寸参数;m=m1+im2为散射粒子相对基质的折射率,当虚部不为零时,表示粒子有吸[5][4]收,对于各向同性的球形粒子,散射光强的分布和φ角无关.同时,散射后光波长可以认为保持不变.参数计算可采用递归迭代法,有诸多文献都对其算法[5]
11、进行了讨论.作为例子,这里计算了相对折射率为01973,3种不同尺度的球形粒子对波长为01469μm的单色光散射.归一化的散射光强随散射角的分布见图2.图2显示,随着粒子尺度增大,前向散射光增强,背向散射光削弱.2蒙特卡罗数学模型以光子为统计单位,通过大量随机计算数据的叠加使结果达到接近实际的统计分布.光子在聚合物内主要经历散射、直线运动、界面反射和透射等过程.把这些过程组合图2米氏散射光强分布图到一个蒙特卡罗数学模型中
