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文檔簡介
1、在許多工業(yè)過程或科學(xué)研究中所遇到的粒子由于本身的性質(zhì)、形成的機理、生產(chǎn)過程或?qū)嶋H需要等多種因素,其折射率呈現(xiàn)非均勻性,如生物粒子、大氣中有核凝結(jié)的粒子、梯度折射率光纖、噴霧燃燒室中的油滴等均為非均勻粒子。為了對這些粒子進行測量或操縱,光散射法是常用且有效方法,但其前提是需要對粒子散射機理和光學(xué)特性有清楚的了解。在眾多的電磁散射理論中,Debye級數(shù)既是一種嚴(yán)格理論,又可以對散射機理進行分析,具有特殊重要的意義。本文將在前人提出的均勻以及
2、雙層球粒子Debye方法的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究非均勻球形粒子和非均勻無限長柱對平面波和有形波束散射的Debye級數(shù)展開及其在粒子測量等技術(shù)中的應(yīng)用。本文主要研究工作和成果如下: 1.在均勻和雙層球粒子散射結(jié)果基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出了多層球粒子對平面波散射的Debye級數(shù)展開公式,該公式可以從物理上給出非均勻球散射的明確解釋,對研究粒子散射特性有十分重要的意義,同時提出了一種快速穩(wěn)定的數(shù)值算法。 2.在經(jīng)過數(shù)值驗證后,利用所編程序計算
3、并研究了一種特殊的彩虹現(xiàn)象--多一階彩虹。多一階彩虹包含了粒子各層的尺寸和折射率信息,對研究分層球粒子散射特性有很重要的意義,同時也可以用于粒子參數(shù)的測量;利用Debye級數(shù)可以分離出單種光線貢獻,便于研究單階彩虹強度和多階彩虹干涉強度分布,這是Debye級數(shù)的一個重要特點,所以它也提供了一種研究粒子散射特性和散射機理的重要方法。 3.推導(dǎo)了非均勻球粒子對有形波束散射的Debye級數(shù)展開公式,并以高斯波束為例對波束因子的計算進行
4、了研究。在積分區(qū)域近似法基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出了一階高斯波束的波束因子計算的Bessel函數(shù)形式,該方法可以用來計算強會聚、離軸遠的波束,是一種快速穩(wěn)定的波束因子計算方法。一階彩虹現(xiàn)象是粒子散射特性彩虹測量法所采用的主要彩虹現(xiàn)象之一,因此利用得到的公式對一階彩虹散射機理進行了詳細(xì)研究。 4.研究了非均勻柱粒子對垂直入射平面波散射的Debye級數(shù)展開,同時提出了一種有效的數(shù)值算法。在。Intel Pentium 4 CPU 2.93GHz
5、、512M內(nèi)存的計算機上,所計算的最大粒子尺度參量可達到8000,粒子層數(shù)為1000。這一限制取決于計算機內(nèi)存。模擬了柱粒子下的單階強度和多階彩虹干涉強度后,對球、柱粒子遠場強度分布進行了比較。 5.在前面工作的基礎(chǔ)上研究了非均勻柱對有形波束的散射,給出了Debye級數(shù)展開公式。同時以高斯波束為例,給出了波束因子的主要計算方法:積分法和區(qū)域近似法。 6.利用矩陣形式,推導(dǎo)了非均勻柱對斜入射平面波散射的廣義Debye級數(shù)展
6、開(GDSE)公式。在斜入射情況下,由于交叉極化的出現(xiàn),如果使用普通的Debye級數(shù)展開,公式推導(dǎo)將會變得十分復(fù)雜。而GDSE基于矩陣形式,推導(dǎo)過程將變得方便容易。最后模擬了均勻冰柱和三層光纖的遠場散射強度分布,并將其與已有文獻結(jié)果進行了對比,驗證了公式和程序的正確性。數(shù)值模擬了不同傾斜角入射時的一階彩虹強度分布,發(fā)現(xiàn)一階彩虹角會隨著傾斜角的增大而增大,得出了改變傾斜角與垂直入射時改變粒子折射率在數(shù)值上有相同效果的結(jié)論。最后模擬了梯度折
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