입자에 의한 빛의 산란

입자에 의한 빛 산란이란 작은 입자(예: 얼음 결정, 먼지, 대기 입자, 우주 먼지, 혈구)가 빛을 산란시켜 하늘의 푸른색이나 할로겐과 같은 광학 현상을 일으키는 과정이다.

Maxwell의 방정식은 빛 산란을 설명하는 이론적이고 계산적인 방법의 기초입니다, 그러나 Maxwell의 방정식에 대한 정확한 해법은 선택된 입자 기하학 (구면 등)에 대해서만 알려져 있기 때문에, 입자에 의한 빛 산란은 전자파 산란을 다루는 계산 전자기학의 한 부분입니다.d 입자에 의한 흡수.

해석 솔루션이 알려진 기하학적 구조(구, 구 클러스터, 무한 실린더 등)의 경우 솔루션은 일반적으로 무한 급수로 계산됩니다.보다 복잡한 기하학적 구조 및 불균일한 입자의 경우 원래의 맥스웰 방정식이 이산화되어 해결됩니다.입자에 의한 빛 산란의 다중 산란 효과는 복사 전달 기법에 의해 처리된다(예: 대기 복사 전달 코드 참조).

산란입자의 상대적인 크기는 크기 $파라미터{\displaystyle }$ x$(\displaystyle$ x$)$에 의해 정의되며, 이는 파장에 대한 특성 $치수$의 비율입니다.

정확한 계산 방법

유한 차분 시간 영역법

FDTD 방법은 그리드 기반 차등 시간 영역 수치 모델링 방법의 일반 클래스에 속합니다.시간 의존적 맥스웰 방정식(부분 미분 형식)은 공간과 시간 부분 도함수에 대한 중심 차이 근사치를 사용하여 이산화된다.결과적인 유한차이 방정식은 소프트웨어 또는 하드웨어 중 하나의 방법으로 해결된다: 공간의 부피의 전계 벡터 성분이 주어진 순간에 해결된다; 그리고 같은 공간 부피의 자기장 벡터 성분이 다음 순간에 해결된다; 그리고 그 과정은 반복되고 반복된다.원하는 과도 또는 정상 상태의 전자기장 동작이 완전히 진화될 때까지 반복한다.

T 매트릭스

이 기법은 늘필드법 및 확장경계기술법(EBCM)이라고도 합니다.행렬요소는 맥스웰 방정식의 해법에 대한 경계조건을 일치시킴으로써 얻을 수 있습니다.입사, 투과, 산란된 장은 구면 벡터파 함수로 확장된다.

계산 근사치

Mie 근사

임의의 크기 매개변수를 가진 구면 입자로부터의 산란은 Mie 이론에 의해 설명된다.로렌츠 미에 이론 또는 로렌츠 미에 데비이 이론이라고도 불리는 미에 이론은 구면 입자에 의한 전자파 방사 산란을 위한 맥스웰 방정식의 완전한 해석적 해법이다.

코팅된 구체, 멀티스피어, 스페로이드 및 무한 실린더와 같은 더 복잡한 모양에는 무한 급수의 관점에서 솔루션을 표현하는 확장이 있습니다.Mie 근사치로 구, 층상 구 및 다중 구 및 실린더에 대한 빛 산란을 연구하는 데 사용할 수 있는 코드가 있습니다.

이산 쌍극자 근사

임의의 모양의 입자에 의한 방사선의 산란을 계산하는 몇 가지 기술이 있다.이산 쌍극자 근사치는 분극 가능한 점의 유한 배열에 의한 연속체 목표물의 근사치이다.이 지점들은 국소 전기장에 반응하여 쌍극자 모멘트를 획득합니다.이 점들의 쌍극자들은 전기장을 통해 서로 상호작용합니다.DDA 근사치의 광산란 특성을 계산하는 데 사용할 수 있는 DDA 코드가 있습니다.

대략적인 방법

근사치	굴절률	Size 파라미터	위상 편이
레일리 산란	복근(복근)이 매우 작다	초소형
기하학 광학		매우 크다	매우 크다
변칙 회절 이론	복근(m-1)은 매우 작다.	x 큼
복잡한 각운동량	적당한 m	큰 x

레일리 산란

레일리 산란이란 빛의 파장보다 훨씬 작은 입자에 의해 빛 또는 다른 전자기 방사선이 산란되는 것입니다.레일리 산란은 작은 크기의 파라미터 영역 x${\displaystyle 1}$ 1$(\displaystyle$x\$ll$1$)$에서의 산란으로 정의할 수 있습니다.

기하학 광학(레이 트레이스)

광선 추적 기술은 입자의 크기와 임계 치수가 빛의 파장보다 훨씬 큰 경우 구형 입자뿐만 아니라 지정된 모양(및 방향)의 입자에 의한 빛 산란 근사치를 구할 수 있습니다.빛은 폭이 파장보다 훨씬 크지만 입자 자체에 비해 작은 광선의 집합으로 간주될 수 있습니다.입자에 닿는 각 광선은 (부분) 반사 및/또는 굴절을 겪을 수 있다.따라서 이러한 광선은 최대 출력으로 계산되거나 (부분 반사가 포함된 경우) 입사 전력을 두 개 이상의 기존 광선으로 나눈 상태로 계산된다.렌즈 및 기타 광학 부품과 마찬가지로 광선 추적에 의해 단일 산란기에서 방출되는 빛이 결정되며, 그 결과를 랜덤으로 방향지어지고 배치된 다수의 산란자에 대해 통계적으로 결합하면 물방울에 의한 무지개 및 얼음 결정으로 인한 할로겐과 같은 대기 광학 현상을 설명할 수 있다.대기 광학 광선 추적 코드를 사용할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 구에 의한 전자파 산란 코드
• 실린더별 전자파 산란 코드
• 이산 쌍극자 근사 코드
• 유한 차분 시간 영역법
• 산란

레퍼런스

• 이발사, P.W.와 S.C.Hill, 입자에 의한 빛 산란: 계산 방법, 싱가포르; 티넥, 뉴저지, 월드 사이언티픽, c1990, 261 p.+ 2 컴퓨터 디스크 (3인치), ISBN9971-5-0813-3, ISBN9971-5-0832-X(pbk)
• 보렌, 크레이그 F., 도널드 R.허프만, 작은 입자에 의한 빛의 흡수 및 산란, 뉴욕: Wiley, 1998, 530 p., ISBN 0-471-29340-7, ISBN 978-0-471-29340-8
• Hulst, H. C. van de, 작은 입자에 의한 빛의 산란, 뉴욕, 도버 출판사, 1981, 470, ISBN 0-486-64228-3.
• Kerker, Milton, 빛의 산란 및 기타 전자기 복사, 뉴욕, Academic Press, 1969, 666 p.
• 미셴코, 마이클 1세, 주프 W호베니어, 래리 D.Travis, 비구형 입자에 의한 빛의 산란: 이론, 측정, 응용, 샌디에이고: Academic Press, 2000, 690 p., ISBN 0-12-498660-9.
• 스트랫턴, 줄리어스 애덤스, 전자파 이론, 뉴욕, 런던, 맥그로힐 출판사, 1941년 6월 15일.