多层球粒子彩虹光强分布特性研究

基于多层球Debye级数分解理论,计算了不同参数下多层球粒子一阶彩虹的光强分布,分析了多层球粒子的参数-折射率指数因子对多层球粒子的一阶彩虹主峰角位置的影响;同时根据多层球Debye级数分解理论,将多层球粒子的各阶彩虹进行分离,对不同特性散射结构的光强分布进行了研究,分析了各阶干涉强度对散射场的贡献。     

二维高斯波束对多层球粒子电磁散射的解析解

基于矢量波函数在球和柱坐标系中表达式之间的转换关系,提出了一种求解球坐标系中二维高斯波束波形因子的方法,得到了二维高斯波束波形因子在球坐标系中的解析公式.结合广义米理论推导了在轴二维高斯波束入射多层球粒子的电磁散射的解析解,并对散射强度随散射角的分布进行了数值模拟,结果与平面波入射情况进行了比较. 关键词： 矢量波函数 波形因子 电磁散射 广义米理论     

二维高斯波束对多层球粒子电磁散射的解析解

基于矢量波函数在球和柱坐标系中表达式之间的转换关系，提出了一种求解球坐标系中二维高斯波束波形因子的方法，得到了二维高斯波束波形因子在球坐标系中的解析公式.结合广义米理论推导了在轴二维高斯波束入射多层球粒子的电磁散射的解析解，并对散射强度随散射角的分布进行了数值模拟，结果与平面波入射情况进行了比较.     

具有轨道角动量光束入射下的单球粒子散射研究

根据广义Mie理论,研究了具有轨道角动量拉盖尔-高斯光束（LGB）的空间传输特性以及单粒子散射特性.在单体球粒子对高斯光束散射研究的基础上,分析了在自由空间不同传输距离LGB光束的光强分布情况,在不考虑散射和波束相移关系的情况下,将LGB作为入射高斯光束,通过对波束入射时的散射衰减截面求解得到波束因子,利用矢量球谐函数对入射高斯波束进行展开,从而研究了单球粒子在在轴条件下对具轨道角动量高斯波束入射的散射问题.通过数值计算,讨论了散射强度及角分布在不同波束宽度情况下对其散射特性的影响,并与平面波的情况做了对比.结果表明,当波束束腰半径较小时,束腰半径对衰减率的影响较大,而当束腰半径远大于粒子半径时,接近于平面波的情况. 关键词： 广义Mie理论 轨道角动量 Laguerre-Gauss光束 单球粒子     

彩虹及在非均匀球中的应用

利用广义洛伦兹-米氏理论，研究了多层球折射率按指数规律变化时，其一阶彩虹角分布随折射率变化的情况。研究结果表明，无论折射率为指数增大还是指数衰减，多层球彩虹角位置均与折射率分布密切相关，为探测非均匀球的折射率及梯度分布以及燃烧室的温度分布提供了有效的信息。     

梯度折射率球对在轴高斯波束散射的几何光学近似

基于梯度折射率(GRIN)球对平面波前向散射的几何光学近似(GOA),推导出GRIN球对在轴高斯波束散射的GOA.详细推导高斯波束在GRIN球中的散射角和相位公式,给出了算法实现步骤.在此基础上,利用扩展后的GOA计算了粒子的散射强度分布,并与广义洛伦兹一米理论(GLMT)的计算结果进行比较;由于表面波的影响,当波束的束腰半径大于等于粒子半径时散射强度分布与GLMT计算所得的结果相比存在误差.比较结果表明扩展后的GOA方法适用于束腰小于粒子半径的情况.对比GOA方法和GLMT的计算速度,结果表明GOA方法具有较高的运算速度.     

基于一阶彩虹区域高斯光散射的液滴测量

为实现雾化过程中局域内单液滴的测量,采用德拜级数展开研究了高斯光照射下球形液滴一阶彩虹区域的散射光强分布,以及高斯光束腰大小对光强分布峰值角度的影响.根据德拜级数展开计算的散射光强分布反演液滴的折射率和粒径,证明了根据高斯光的彩虹散射反演液滴信息的可行性.基于广义洛伦兹-米氏理论计算一阶彩虹区域的总光强分布,根据总光强分布反演液滴折射率和粒径,讨论了高斯光束位置对反演液滴信息的影响.对于半径在200~1 000μm区间的液滴,高斯光束位于中心入射时,反演折射率的误差小于2.38×10-4,粒径的相对误差在-3.31%~3.31%之间.与采用平行光彩虹技术相比,采用高斯光束为入射光可以得到较高的光能聚集区,较好地定义测量区大小,既可以有效避免多个液滴同时出现在测量区的情况、减小颗粒之间复散射的影响,又可以提高信号强度.     

厄米-高斯光束对手征介质球的远场散射

利用复源点方法将厄米-高斯光束展开为球矢量波函数的形式。基于广义洛伦兹米氏理论,应用手征介质球与自由空间分界面处电磁场切向连续的边界条件以及球矢量波函数的正交性,得到手征介质球远区散射场展开系数。研究了厄米-高斯光束对手征介质球的散射特性。数值计算了厄米-高斯光束对手征介质球的远区散射场分布,分析了波束模式、手征参数和手征球尺寸等对散射特性的影响。     

在轴高斯波束入射无限长多层圆柱散射的德拜级数解

不均匀柱形粒子的光散射特性研究对复杂结构粒子参量的反演具有重要意义。基于德拜理论,对在轴高斯波束垂直入射无限长多层圆柱的散射特性进行了讨论。获得了散射系数的德拜级数展开式;并利用该公式分别计算了均匀和双层圆柱的总散射强度角分布,德拜级数单阶散射强度角分布;总散射强度结果与广义米氏理论(GLMT)进行了比较,两者吻合很好。分析表明圆柱散射强度不同散射角区间的值来自德拜级数不同阶的散射强度贡献;双层圆柱各层半径和折射率的值对德拜级数二阶散射强度角分布中峰值的出现起决定作用。当双层圆柱的外层较薄时,在120°~150°之间会出现两个明显峰值,即出现双重一阶彩虹峰值;反之,当外层厚度大于内层时,只有一个峰值存在。     

离心球对高斯波束的光散射及应用

基于广义米氏理论研究了在轴离心球对高斯波束光散射特性.入射高斯波束的波束因子用积分区域近似法计算,散射场的展开系数由矢量球面波函数的加法定理并求解边界条件得到.以离心球为模型研究了单核生物细胞对高斯波束的散射特性并给出了相关数值模拟,讨论了离心距、波束的束腰半径和核的大小对散射强度角分布和散射、消光系数的影响.     

Debye Series of Scattering by a Multi-Layered Cylinder in an Off-Axis 2D Gaussian Beam

The Debye series of light scattering by an infinite multi-layered cylinder in an off-axis 21） Gaussian beam is studied. A simplified but rigorous iterative formula for scattering coefficients is presented. The numerical calculations of scattering intensity by a cylinder in on-axis and off-axis beams are developed. It is indicated that the results of Debye series reach an agreement with those of generalized Lorenz-Mie theory and the off-axis distances vary the results to a great extent. The Debye series components of a two-layered cylinder are further discussed. The relations between them with rainbow phenomena are analysed.     

Scattering from a Multi-Layered Sphere Located in a High-Order Hermite-Gaussian Beam

Scattering of a high-order Hermite-Gaussian beam by a multi-layered sphere is analyzed. The incident high- order Hermite-Gaussian beam field is expressed by the complex-source-point method and expanded in terms of spherical vector wave functions. The beam shape coefficients of the Hermite-Gaussian beam are obtained. Under electromagnetic field boundary conditions, coefficients in the expressions of scattering fields are derived. Results of the numerical calculation of scattering intensity are presented. The effects of the particle parameters and beam parameters on scattering intensity are discussed in detail.     

Gaussian beam scattering by a chiral sphere

Based on the generalized Lorenz–Mie theory that provides the general framework, an analytic solution to Gaussian beam scattering by a chiral sphere is constructed, by expanding the incident Gaussian beam, scattered fields and internal fields in terms of spherical vector wave functions. The unknown expansion coefficients are determined by a system of equations derived from the boundary conditions. For a localized beam model, numerical results of the normalized differential scattering cross section are presented.     

离轴多层球对高斯波束的光散射

根据广义米氏理论，将入射的高斯波束按矢量球谐函数展开，获得了波束因子（展开系数）ｇｍｎ，ＴＭ和ｇｍｎ，ＴＥ的一般表达式。应用ｇｍｎ的局域近结果和散射系数ａｎｍ和ｂｎｍ的迭代公式与算法，研究了多层有耗介质球的光散射。讨论了波束宽度与球形粒子的尺寸和位置对散射系数和散射强度角分布的影响。     

高斯光束在双层云中传输的蒙特卡罗模拟

基于辐射传输理论, 利用蒙特卡罗方法模拟了无限窄(冲击函数)准直光束入射到典型水云以及冰水双层云时的后向散射特性, 进而将得到的冲击响应与高斯光束卷积, 得到高斯光束在云层中传输的多次散射特性. 文中给出了两种波束入射时水云以及冰水双层云的反射函数随径向r和天顶角α的变化关系, 并给出了光强在云层内部的二维分布图. 计算结果表明, 高斯光束入射时, 云层反射函数的特点与无限窄准直光束入射时有较大区别. 因此在利用激光雷达进行云层探测时需要考虑激光的散斑, 文中的方法可以为此提供理论依据.     

激光对含偏心核球形粒子的辐射俘获力

利用偏心球形粒子对任意角度入射有形波束散射的理论,从广义米理论出发,根据电磁场的动量守恒及麦克斯韦张量,推导了任意入射波束对偏心球形粒子辐射俘获力的级数表达式,并以高斯波束为例,就离轴入射有吸收偏心球形粒子时的辐射俘获力进行了数值模拟,讨论了束腰半径、吸收系数、内核的相对大小及位置对俘获情况的影响. 关键词： 广义米理论 偏心球 辐射俘获力 光镊     

Arbitrary direction incident Gaussian beam scattering by multispheres

Based on spherical vector wave functions and their coordinate rotation theory,the field of a Gaussian beam in terms of the spherical vector wave functions in an arbitrary unparallel Cartesian coordinate system is expanded.The beam shape coefficient and its convergence property are discussed in detail.Scattering of an arbitrary direction Gaussian beam by multiple homogeneous isotropic spheres is investigated.The effects of beam waist width,sphere separation distance,sphere number,beam centre positioning,and incident angle for a Gaussian beam with two polarization modes incident on various shaped sphere clusters are numerically studied.Moreover,the scattering characteristics of two kinds of shaped red blood cells illuminated by an arbitrary direction incident Gaussian beam with two polarization modes are investigated.Our results are expected to provide useful insights into particle sizing and the measurement of the scattering characteristics of blood corpuscle particles with laser diagnostic techniques.