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典型各向異性粒子對波束的散射 版權信息
- ISBN：9787030731623
- 條形碼：9787030731623 ; 978-7-03-073162-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
典型各向異性粒子對波束的散射 內容簡介
各種粒子的波束散射特性一直是波傳播和散射理論中的重要組成，本著作主要介紹各向異性粒子與各種任意波束相互作用后的散射特征及其物理規律，全面總結了作者在粒子波束散射方面的研究成果，主要包括：（1）各向異性粒子對波束散射研究的進展；（2）規則各向異性粒子對高斯波束的散射；（3）各向異性粒子對任意波束的散射理論；（4）各向異性粒子對貝賽爾波束的散射；（5）各向異性粒子對渦旋波束的散射。本專著所給出的成果，對研究激光波束與各向異性粒子以及顆粒系的電磁相互作用機理，以其在大氣光學、雷達遙感、燃燒、生物醫學、納米科學等領域有著重要提供基礎的理論。
典型各向異性粒子對波束的散射 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 背景和意義 1
1.2 研究進展 2
1.3 典型各向異性媒質簡介5
1.3.1 單軸各向異性媒質 6
1.3.2 雙軸各向異性媒質 6
1.3.3 回旋各向異性媒質 7
1.3.4 單軸各向異性手征媒質 7
第2章 各向異性媒質中的場用矢量波函數展開 9
2.1 矢量波函數 9
2.1.1 矢量波函數的一般理論 9
2.1.2 球矢量波函數 10
2.1.3 圓柱矢量波函數 12
2.2 單位振幅平面波用矢量波函數展開 13
2.2.1 單位振幅平面波用球矢量波函數展開 13
2.2.2 單位振幅平面波用圓柱矢量波函數展開 21
2.3 典型各向異性媒質中的場用球矢量波函數展開 25
2.3.1 單軸各向異性媒質中的場用球矢量波函數展開 25
2.3.2 回旋各向異性媒質中的場用球矢量波函數展開 30
2.3.3 單軸各向異性手征媒質中的場用球矢量波函數展開 32
2.4 典型各向異性媒質中的場用圓柱矢量波函數展開 38
2.4.1 單軸各向異性媒質中的場用圓柱矢量波函數展開 38
2.4.2 回旋各向異性媒質中的場用圓柱矢量波函數展開 39
2.4.3 單軸各向異性手征媒質中的場用圓柱矢量波函數展開 40
問題與思考 41
第3章 各向異性粒子對高斯波束的散射 42
3.1 高斯波束在球坐標系中的表示 42
3.1.1 高斯波束的描述 42
3.1.2 高斯波束用球矢量波函數展開 43
3.2 擴展邊界條件法 47
3.3 典型各向異性粒子對高斯波束的散射 53
3.3.1 單軸各向異性粒子對高斯波束的散射 53
3.3.2 回旋各向異性粒子對高斯波束的散射 59
3.3.3 單軸各向異性手征粒子對高斯波束的散射 61
問題與思考 75
第4章 高斯波束經過各向異性圓柱和平板的傳輸 76
4.1 高斯波束經過各向異性圓柱的傳輸 76
4.1.1 高斯波束用圓柱矢量波函數展開 76
4.1.2 單軸各向異性圓柱對高斯波束的散射 78
4.1.3 雙軸各向異性圓柱對高斯波束的散射 81
4.1.4 回旋各向異性圓柱對高斯波束的散射 87
4.1.5 單軸各向異性手征圓柱對高斯波束的散射 89
4.2 高斯波束經過各向異性平板的傳輸 92
4.2.1 高斯波束經過單軸各向異性平板的傳輸 92
4.2.2 高斯波束經過回旋各向異性平板的傳輸 97
4.2.3 高斯波束經過單軸各向異性手征平板的傳輸 100
問題與思考 104
第5章 各向異性粒子對任意波束的散射 106
5.1 單軸各向異性粒子對任意波束的散射 106
5.2 回旋各向異性粒子對任意波束的散射 127
5.3 單軸各向異性手征粒子對任意波束的散射 133
問題與思考 138
第6章 任意波束經過各向異性圓柱和平板的傳輸 140
6.1 各向異性圓柱對任意波束的散射 140
6.1.1 單軸各向異性圓柱對任意波束的散射 140
6.1.2 回旋各向異性圓柱對任意波束的散射 150
6.1.3 單軸各向異性手征圓柱對任意波束的散射 152
6.2 任意波束經過各向異性平板的傳輸 155
6.2.1 任意波束經過單軸各向異性平板的傳輸 155
6.2.2 任意波束經過回旋各向異性平板的傳輸 169
6.2.3 任意波束經過單軸各向異性手征平板的傳輸 171
問題與思考 176
參考文獻 178
附錄A 投影法在介質球形粒子對波束散射問題中的證明 184
前言
第1章 緒論 1
1.1 背景和意義 1
1.2 研究進展 2
1.3 典型各向異性媒質簡介5
1.3.1 單軸各向異性媒質 6
1.3.2 雙軸各向異性媒質 6
1.3.3 回旋各向異性媒質 7
1.3.4 單軸各向異性手征媒質 7
第2章 各向異性媒質中的場用矢量波函數展開 9
2.1 矢量波函數 9
2.1.1 矢量波函數的一般理論 9
2.1.2 球矢量波函數 10
2.1.3 圓柱矢量波函數 12
2.2 單位振幅平面波用矢量波函數展開 13
2.2.1 單位振幅平面波用球矢量波函數展開 13
2.2.2 單位振幅平面波用圓柱矢量波函數展開 21
2.3 典型各向異性媒質中的場用球矢量波函數展開 25
2.3.1 單軸各向異性媒質中的場用球矢量波函數展開 25
2.3.2 回旋各向異性媒質中的場用球矢量波函數展開 30
2.3.3 單軸各向異性手征媒質中的場用球矢量波函數展開 32
2.4 典型各向異性媒質中的場用圓柱矢量波函數展開 38
2.4.1 單軸各向異性媒質中的場用圓柱矢量波函數展開 38
2.4.2 回旋各向異性媒質中的場用圓柱矢量波函數展開 39
2.4.3 單軸各向異性手征媒質中的場用圓柱矢量波函數展開 40
問題與思考 41
第3章 各向異性粒子對高斯波束的散射 42
3.1 高斯波束在球坐標系中的表示 42
3.1.1 高斯波束的描述 42
3.1.2 高斯波束用球矢量波函數展開 43
3.2 擴展邊界條件法 47
3.3 典型各向異性粒子對高斯波束的散射 53
3.3.1 單軸各向異性粒子對高斯波束的散射 53
3.3.2 回旋各向異性粒子對高斯波束的散射 59
3.3.3 單軸各向異性手征粒子對高斯波束的散射 61
問題與思考 75
第4章 高斯波束經過各向異性圓柱和平板的傳輸 76
4.1 高斯波束經過各向異性圓柱的傳輸 76
4.1.1 高斯波束用圓柱矢量波函數展開 76
4.1.2 單軸各向異性圓柱對高斯波束的散射 78
4.1.3 雙軸各向異性圓柱對高斯波束的散射 81
4.1.4 回旋各向異性圓柱對高斯波束的散射 87
4.1.5 單軸各向異性手征圓柱對高斯波束的散射 89
4.2 高斯波束經過各向異性平板的傳輸 92
4.2.1 高斯波束經過單軸各向異性平板的傳輸 92
4.2.2 高斯波束經過回旋各向異性平板的傳輸 97
4.2.3 高斯波束經過單軸各向異性手征平板的傳輸 100
問題與思考 104
第5章 各向異性粒子對任意波束的散射 106
5.1 單軸各向異性粒子對任意波束的散射 106
5.2 回旋各向異性粒子對任意波束的散射 127
5.3 單軸各向異性手征粒子對任意波束的散射 133
問題與思考 138
第6章 任意波束經過各向異性圓柱和平板的傳輸 140
6.1 各向異性圓柱對任意波束的散射 140
6.1.1 單軸各向異性圓柱對任意波束的散射 140
6.1.2 回旋各向異性圓柱對任意波束的散射 150
6.1.3 單軸各向異性手征圓柱對任意波束的散射 152
6.2 任意波束經過各向異性平板的傳輸 155
6.2.1 任意波束經過單軸各向異性平板的傳輸 155
6.2.2 任意波束經過回旋各向異性平板的傳輸 169
6.2.3 任意波束經過單軸各向異性手征平板的傳輸 171
問題與思考 176
參考文獻 178
附錄A 投影法在介質球形粒子對波束散射問題中的證明 184
展開全部
典型各向異性粒子對波束的散射 節選
第1章緒論 1.1背景和意義 自然界中，在大氣層、陸地和海洋中都有各種不同形狀、不同種類的粒子。長期以來，很多學者專注于研究這些粒子與光或者電磁波相互作用所出現的現象和規律，并將其作為重要的研究課題。粒子與波束相互作用，所揭示的物理現象和規律對人們認識自然界及實際工程應用具有重要意義。例如，晴朗的天空呈現藍色和雨后出現彩虹的大氣光學現象，其本質是大氣粒子對光波的散射和吸收。 物質在與電磁波相互作用的過程中，根據物質內部產生的極化強度和磁化強度不同，分為各向同性媒質和各向異性媒質。針對粒子與波束的相互作用，由于各向同性媒質內部的極化強度、磁化強度與外加電場、磁場的方向一致，學者在研究的過程中還是從各向同性粒子對波束的散射開始，其中主要的研究難度在于研究各種不同尺寸、形狀、結構、物質成分和分布狀態的單個粒子或者團聚粒子群對波束的散射特性。 對于各向異性媒質，因為在外加電場、磁場的過程中，其內部的極化強度與磁化強度和外加電場、磁場的方向不一致，所以在討論各向異性粒子的散射問題時，在數學模型的建立和數值計算方面都比較復雜。事實上各向異性現象在自然界中廣泛存在，許多物質呈現出各向異性的特點。例如，很多晶體就是典型的各向異性媒質，分為單軸各向異性媒質和雙軸各向異性媒質。除了自然界存在的天然物質外，還有許多是人工合成的各向異性材料。人工合成的各向異性材料能夠影響目標或散射體的雷達散射截面，因此被廣泛應用于雷達天線屏蔽器、光纖、雷達吸收器、微波傳輸線和天線中的基帶等諸多方面。在國防關鍵技術中，各向異性等離子體材料經常應用于目標的隱身技術。 早期研究光波、電磁波與物質的相互作用，都是基于電磁平面波與粒子相互作用的電磁理論，粒子也是由各向同性媒質組成。隨著研究的不斷深入，波束作為描述電磁波、激光傳輸的精確物理模型，人們開展了大量的波束與粒子相互作用特性的研究工作，粒子的物質成分也從各向同性媒質變成了各向異性媒質。對各向異性媒質的波束散射特性研究，在理論建模和數值計算上都有開展，但仍面臨許多挑戰。 隨著各向異性材料在生物光學、集成光學、微波工程、毫米波技術、復合材料、遙感和隱身技術等領域中的廣泛應用，光波或者電磁波與各向異性媒質間的典型各向異性粒子對波束的散射相互作用引起了越來越多的專家和科研學者的關注，他們不斷針對各向異性媒質與光波、電磁波相互作用的復雜物理現象和規律開展研究。 1.2研究進展 粒子對光波、電磁波散射特性的研究，*早是從平面波與各向同性均勻球形粒子的散射特性開始。各向同性均勻球形粒子對平面電磁波散射的精確解析解于1908年由Mie提出，開啟了學者對粒子散射特性的研究。在現代科學研究中，粒子的電磁散射和光散射特性，一直都是重要的研究課題，其揭示的物理現象和物理規律與人們的生活和生產息息相關。經過一個多世紀的研究，人們針對不同粒子對光波、電磁波散射特性的研究提出了很多相應的解決辦法相關研究文獻眾多。作者在粒子對波束的散射特性方面做了相應的研究工作在已有的工作基礎上，本書梳理和介紹國內外各向異性粒子的波束散射特性的研究進展，針對性地論述典型各向異性粒子的波束散射特性。 基于粒子對平面波和波束散射特性，很多學者開展了對各向異性粒子的波束散射問題的研究，早在1984年，Graglia等從頻域的角度采用體積分方法研究了任意三維、有耗、均勻的各向異性散射體的散射。1986年，Monzon等為了處理各向異性柱體的二維散射問題，提出了基于平面波場表示的積分方程。Wu等應用變分理論討論了平面波斜入射到非均勻各向異性圓柱上時的散射問題，并提出了軸向上的電磁場分量的表達式。1989年，Graglia等提出了一種計算任意形狀三維非均勻各向異性物體散射的新方法。該方法基于散射問題的一般體積分形式，由矩量法和點匹配法對耦合積分方程進行數值求解，并給出了各向同性和各向異性球形散射體的數值結果。Varadan等用耦合偶極子近似方法計算了單軸各向異性目標的散射特性。MonzcW推導了各向異性球的電磁散射的級數解，其中各向異性介質的參數為旋轉對稱的。1990年，Papadakis等用積分方程法研究了各向異性橢圓體對平面波的電磁散射，并且給出了幾組單軸各向異性介質球的數值計算結果。Beker等運用邊界積分方程法計算了有各向異性涂層的圓柱和方柱的雷達散射截面。1995年，Borghese等基于鏡像法、場的球多極展開和轉換法，研究了任意方向入射時理想反射面上典型各向異性粒子的散射。1997年，Wu等從圓柱矢量波函數出發導出了均勻各向異性介質中電磁場的閉合表達式，并給出了任意線極化平面波斜入射時，無限長均勻各向異性圓柱散射問題的解析解。2000年，Malyaskin等采用積分微分方程法研究了各向異性環境中各向異性橢球對平面波的電磁散射問題。2004年，耿友林等用球矢量波函數展開形式，得到了單軸各向異性球和鐵氧體球對平面波電磁散射問題的解析解，并進一步推廣到兩層和多層同心各向異性等離子體球的電磁散射問題。Tarento等用微擾法研究了各向異性磁球體在光波段的散射特性。 2006年，Stout等利用矢量球諧函數展開方法給出了單個任意形狀各向異性介質目標的電磁散射的解析解。2007年，Qiu等采用特征函數展開法研究了單軸各向異性介質球對平面波的散射，并詳細分析了電、磁的各向異性率和尺寸參數對雷達散射截面的影響。同年，Qiu等采用修正的矢量波函數和并矢格林函數推導了徑向多層單軸各向異性球對平面波的散射，同時也分析了各向異性率和尺寸參數對雷達散射截面的影響。2008年，Mao等給出了各向異性橢圓柱體在TE波入射下二維散射特性的精確解。彭勇W利用Fourier變換、各向同性球矢量波函數展開的本征矢量和平面波因子乘積的解析表達式，對高斯波束與單軸各向異性介質球的相互作用的解析解開展了理論研究，給出了雷達散射截面（radar cross section，RCS）空間分布的數值結果。2009年，Wu等研究了單軸各向異性球對在軸高斯光束的散射，將在軸高斯光束用球矢量波函數展開，應用局部近似法得到高斯光束形狀系數，并通過Fomiei變換將單軸各向異性球的內部場表示為球矢量波函數的積分，*后利用電磁場邊界條件導出了散射系數的解析表達式。同年，Mao等應用Mathieu函數給出了一種求解均勻各向異性無限長橢圓柱散射問題的解析方法。光學定理將介質粒子前向散射的幅度與消光截面聯系在一起，Degiorgio等將光學定理擴展到了各向異性散射體的情況，研究結果對前向動態退偏光散射實驗的設計和解釋具有一定的參考價值。 2010年，李應樂等基于電磁場的多尺度理論，研究了各向異性介質球內、外電場的規律，導出了各向異性目標散射場的表達式，得到了各向異性介質目標散射振幅、散射截面等的解析表達式。其結果可為各向異性目標監測、各向異性光散射研究等提供理論支持。Li等基于電磁波的尺度理論給出了各向異性介質球內電場的解析表達式，并且研究了各向異性球形目標的微分散射截面。研究結果表明，在瑞利散射條件下，各向異性球的散射具有偶極輻射特性，介電常數越大，偶極輻射越強，磁各向異性只對微分RCS有影響，這些結果為各向異性目標的識別提供了理論依據。李應樂等[38]基于電磁場的多尺度變換理論，重整各向異性介質橢球的電磁參數和形體參數，得出了各向異性介質橢球內電場的解析表達式。2011年，李應樂等基于通用的矢量電位和標量電位與介電常數張量無關的原理，由激發的電偶極子與位函數的關系得到了任意各向異性目標散射場的表達式，以及通用的介電常數張量的變換關系，給出了介電常數張量在球坐標系中的表達式，并得到了各向異性圓錐體一級散射場的解析表達式，為研究形狀更為復雜的各向異性目標、納米粒子等的光散射提供了理論基礎。Li等基于廣義多粒子Mie理論和Fourier變換方法研究了兩個具有平行主光軸的均勻單軸各向異性球的電磁散射，以及團簇單軸各向異性粒子對平面波的散射，進一步利用單軸各向異性球的電磁散射理論，推導出了離軸入射高斯光束對單軸各向異性球的輻射力的解析表達式。李應樂等[411基于電磁場的多尺度變換理論，研究了典型各向異性粒子對波束的散射各向異性介質橢球的電場分布，得到了各向異性橢球目標的散射截面。同年，李應樂等也開展了基于多尺度理論的電各向異性介質橢球內電場研究。2012年，李應樂等將均勻各向異性介質重構為電學上的無耗各向同性介質，得到了重構目標的散射截面，進而得到了主坐標系中無耗各向異性介質球的散射截面，將介質退化到各向同性介質時，各向同性介質球的散射截面與Mie理論完全一致，驗證了所得結果的正確性，為復雜形體各向異性介質目標的散射評判提供了理論基礎。 2013年，Zhang等[在廣義洛倫茲-米氏理論（generalized Lorentz Mietheory，GLMT）的框架下，通過將入射高斯光束、散射場和內部場用適當的圓柱矢量波函數展開，并結合電磁場邊界條件，研究了單軸各向異性圓柱對高斯光束的散射特性。Li等基于廣義洛倫茲-米氏理論和廣義多粒子Mie理論，研究了兩個具有平行主光軸的均勻單軸各向異性球對高斯光束的散射，詳細分析了束腰寬度、光束中心位置和球間距對雙球散射特性的影響。2014年，Chen等_基于擴展邊界條件法給出了任意形狀單軸各向異性物體對在軸高斯光束散射的半解析解。2015年，Wang等叫給出了任意介電常數張量的各向異性粒子電磁散射的一般r矩陣解。他們利用Fourier逆變換，得到了一般各向異性介質中的電磁場用準球矢量波函數展開的表達式，構造出了:T矩陣，并討論了回旋各向異性介質、雙軸各向異性介質和單軸各向異性介質的情況。2015年，Li等M基于廣義多粒子Mie理論和Fourier變換方法，研究了零階貝塞爾光束（zero order Bessel beam，ZOBB）照射下兩個具有平行主光軸的均勻單軸各向異性球的光散射，并進一步推廣到團簇單軸各向異性球的情況[49]，同時研究了入射角、偽極化角、半錐角、光束中心位置和介電常數張量對幾種團簇單軸各向異性球RCS的影響。2015年，Qu等_研究了高階貝塞爾光束（high order Bessel beam，HOBB）照射下等離子體各向異性球電磁散射的解析理論。2015年，Wang等結合T矩陣方法和GLMT詳細討論了求解各向異性粒子在任意形狀光束照射下的散射問題。2016年，Qu等[521基于復點源法和坐標旋轉理論導出了任意入射厄米-高斯（HermiteGauss，HG）光束的球矢量波函數展開式，并研究了各向異性球對厄米-高斯光束的散射。Li等進一步將其推廣到了旋轉單軸各向異性橢球的情況。2017年，李瑾等基于各向同性空間的格林函數和電磁場的多尺度理論，將各向異性介質空間進行各向同性化處理，得到了各向異性介質中的格林函數。Chen等基于電磁場的球矢量波函數展開和投影法，提出了一種計算各向異性粒子對任意形狀波束散射的半解析方法，并基于此研究了單軸和回旋各向異性球對任意形狀光束的散射。 2018年，Qu等M在廣義多粒子Mie理論的框架下，研究了兩個相互作用的均勾單軸各向異性球對拉蓋爾-高斯（Laguerre Gauss，LG）禍旋光束的散射，給出了LG渦旋光束照射LiNb03、Ti02各向異性雙球的遠場分布，分析了各向異性參數、球體位置、分離距離和拓撲荷等因素對遠場的影響。2019年，Chen等基于電磁場的球矢量波函數展開、矩量法和謝昆諾夫等效原理，給出了一種計算含核單軸各向異性粒子對任意形狀電磁波束散射的方法。2019年，Kaburcuk等關運用時域有限差分（finite difference time domain，FDTD）法研究了各向異性粒子的光散射，數值結果表明對于單軸和雙軸各向異性粒子，光軸的不同旋轉角度對散射光的性質有顯著影響。
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