复杂介质粒子系对矢量有形波束的散射及结合力特性研究

论文摘要

电磁(光)波与聚集粒子间的相互作用作为国际上研究的热点课题,在粒度分析、大气环境监测、微波遥感、显微成像、生物医学诊断等领域有着广泛的应用。对于有形波束研究,目前主要集中在有形波束场的产生、传输和调控及对单粒子的散射研究,对于两个或多个各向同性多层球粒子以及手征球形粒子与有形波束的相互作用仍然是国际上比较新颖的课题,值得进一步研究。本文基于经典电磁学理论研究了聚集各向同性介质球、各向同性分层球及手征介质球对有形高斯波束、不同偏振态矢量高阶贝塞尔波束的散射特性及结合力效应,取得的主要成果和创新点如下:1.基于广义Mie理论及平移加法定理,研究了任意入射椭圆及圆高斯波束对聚集各向同性球粒子的散射特性。数值分析了束腰宽度、球间距、球个数、入射角以及波束中心位置对不同结构分布聚集球形粒子的散射强度影响。进一步利用电磁场动量守恒定理推导了各向同性双球系统中每个球受到的横向结合力及轴向结合力数学表达式,在相同入射波长、偏振角度、粒子半径影响下数值对比分析了椭圆高斯波束及圆高斯波束对各向同性双球粒子间结合力的区别与影响。2.基于矢量势方法和平面波角谱方法推导出标量高阶贝塞尔波束电磁场的统一表达式。利用广义Mie理论和坐标旋转定理,研究了任意线偏振高阶贝塞尔波束的球矢量波函数展开形式及展开系数的收敛性。结合球函数平移加法定理,给出任意结构分布的聚集均匀各向同性介质球对标量高阶贝塞尔波束的散射强度角分布。数值研究了不同拓扑荷高阶贝塞尔波束入射时,聚集各向同性球粒子的散射强度随波束半锥角、波束中心位置、入射角、球间距的变化规律。利用电磁场动量守恒定理,对高阶贝塞尔波束作用下各向同性双球间的结合力进行理论研究,综合分析了各向同性球粒子及波束参数对结合力的影响。3.根据角谱展开方法获得了不同偏振态矢量高阶贝塞尔波束的电磁场展开式,导出了线偏振、圆偏振、径向偏振、角向偏振和非偏振的矢量高阶贝塞尔波束的场强分布解析表达式。系统研究了任意结构分布的聚集非均匀多层球粒子对任意入射不同偏振态高阶贝塞尔波束的散射特性,以及粒子层数、球心间距离、入射角、贝塞尔波束半锥角、偏振模式等因素对散射的影响规律。基于电磁场动量守恒定理,对任意偏振高阶贝塞尔波束入射时聚集多层球系统中粒子受到的结合力进行数值模拟及分析。4.基于广义Mie理论导出了不同偏振态矢量高阶贝塞尔波束的球矢量波函数展开式,根据球函数平移加法定理及电磁场动量守恒定理,系统研究了不同偏振态任意阶矢量贝塞尔波束对手征介质双球的散射场角分布特性及结合力变化规律,以及不同波束偏振模式、拓扑荷、波束半圆锥角、手征参数及粒子尺寸对手征双球的散射场分布及结合力变化影响。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 白靖

导师: 吴振森

关键词: 多粒子系散射,手征介质,多层介质,高阶贝塞尔波束,结合力

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 西安电子科技大学

基金: 国家自然科学基金项目《复杂粒子体系对矢量有形波束的散射与应用》

分类号: O441.4

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.003134

总页数: 194

文件大小: 11673K

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