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摘要
粒子对波束的电磁(光)散射作为国际研究热点领域之一,在粒度分析、生物医学、环境检测、宇宙遥感等领域中广泛应用。对平面波和三维高斯波束入射各向同性球和圆柱的散射研究已有大量报道。但是,粒子或多粒子对其它类型波束散射,以及各向异性介质粒子对波束散射仍然值得进一步研究。本文围绕复杂粒子体系对有形波束散射这一具有重要理论意义及应用前景的课题开展研究。主要成果如下:1.导出了多层圆柱对二维高斯波束的散射系数Debye series解,理论证明了该方法与广义米理论(GLMT)散射系数数学公式的一致性关系;分析了Debye series分量描述的双层圆柱的彩虹散射强度。数值计算了圆柱和波束参数对散射强度分布的影响;利用Debye series分量讨论了双层圆柱的折射率和半径对双一阶彩虹的影响。2.详细推导了球和圆柱坐标系中两种矢量波函数的相互转化关系;导出了在轴和离轴二维高斯波束在球坐标系中的波形因子,该方法避免了复杂积分,提高了计算效率。利用二维高斯波束入射场,内场和散射场的球矢量波函数展开,结合边界条件,获得了散射系数的表达式。以水滴和有核血细胞为例,数值计算了分层球对二维高斯波束的散射,分析了粒子和波束参数对散射强度的影响。3.研究了高斯波束入射各向异性球粒子的散射特性。采用傅立叶变换和球矢量波函数表示了内场和散射场;结合边界条件,推导了波束入射情况下散射系数的表达式,以及各向异性球内场各特征波场分量的表述式。数值计算了在轴和离轴高斯波束入射各向异性球时散射强度、内场和表面场的空间分布,讨论了波束参数、介电参数对其分布的影响。将该方法推广到导体各向异性涂层球的散射研究,计算了涂有磁化等离子体层的导体球散射强度分布。4.研究了厄米高斯波束入射多层球和圆柱的散射特性。推导并证明了旁轴波动方程的解与复源点方法之间的一致性关系。基于复源点方法描述的多模高斯波束场,结合球和圆柱矢量波函数展开方法,导出了二维和三维高阶厄米波束的波形因子;数值计算了多层球和圆柱对厄米高斯波束的散射特性,讨论了球、圆柱参数和波束参数对高阶(多模)场散射强度角分布的影响。5.基于矢量波函数展开和蒙特卡罗(MC)方法,研究了高斯波束入射单个和多个带电球粒子的散射传输特性。详细推导了单个带电球粒子的散射系数;并采用矢量波函数展开方法结合矢量波函数的加法定理导出了高斯波束入射多个带电/不带电球粒子的散射系数;提出了用MC模拟高斯波束的抽样方法。以星际空间带电Carbon粒子和极区中层的带电冰晶粒子为例,讨论了带电量对粒子体系散射特性的影响。
