亚波长微粒散射特性调控的研究

摘要

微小粒子的散射特性在天线、传感器、光发射装置等方面的发展具有重要的实际应用前景。近些年来，有效调控微小粒子散射特性已经成为一个重要研究方向。本文主要研究粒径为波长量级的球形与椭球形微粒的散射特性。针对球形粒子，本文采用Mie散射理论来计算和分析其散射特性。针对椭球形粒子，本文采用有限元法和多偶极子理论结合的方法计算和分析其散射特性。本文提出了两种方案来实现对粒子散射特性的调控，主要工作如下:
　　1、提出了通过调控粒子几何参数的方案来调控粒子的散射特性。研究发现球形粒子本征模式的共振波长远离满足第一Kerker条件的波长（即粒子可获得零后向散射的波长），此时前向散射强度很小。为了实现抑制后向散射的同时也能够得到较强的前向散射，本文分析了椭球形粒子几何参数对其散射特性的影响。研究发现，扁椭球形和长椭球形粒子都可以实现对后向散射的抑制同时伴随着前向散射的增强。对于扁椭球形介质粒子，横纵比等于1.6时，实现了零后向散射伴随增强的前向散射。对于长椭球形介质粒子，横纵比等于4.2时，可以实现后向散射的抑制和前向散射的极大增强。
　　2、提出了通过调控粒子材料构成的方案来调控粒子的散射特性。以往的研究结果表明对于有损和无损的粒子，无法实现对前向散射的完全抑制。为了实现零前向散射，本文设计了金属/掺杂增益介质的球形核/壳粒子。研究结果表明，通过调节掺杂浓度能够实现对前向散射的完美调控，获得了对前向散射的极大增强以及完全抑制。此外，本文采用了一种不同于第二Kerker条件的理论模型去解释前向散射被抑制的原因。电磁仿真结果验证了这种解释的正确性。

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摘要

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第一章 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．2 粒子光散射的国内外研究现状

1．3 粒子光散射理论方法的研究现状

1．3．1 Mie理论的研究现状

1．3．2 有限元法的研究现状

1．4 本文的主要工作

1．5 本章小结

第二章 粒子散射特性计算的基本理论

2．1 本章引言

2．2 Mie理论介绍

2．2．1 Mie理论的德拜势求解

2．2．2 Mie散射结论

2．2．3 Mie理论的数值计算结果

2．3 有限元法介绍

2．3．1 有限元法的基本原理及优点

2．3．2 有限元法的基本步骤

2．4 多偶极子理论介绍

2．4．1 散射场的多偶极子分解

2．4．2 粒子散射场的计算

2．4．3 有限元法和多偶极子理论结合的方法的有效性验证

2．5 本章小结

第三章 椭球形介质微粒的光散射特性调控

3．2．1 前向散射和后向散射

3．2．2 第一Kerker条件和第二Kerker条件

3．2．3 电共振分量和磁共振分量

3．3 球形介质粒子满足第一Kerker条件的散射特性及参数优化结果

3．4．1 椭球形介质粒子的结构模型

3．4．2 椭球形介质粒子散射特性的仿真结果及参数优化

3．5 本章小结

第四章 球形核壳微粒的光散射特性调控

4．1 本章引言

4．2．1 球形核壳粒子的Mie展开系数

4．2．2 粒子获得零前向散射的条件

4．2．3 增益材料的引入

4．3 球形核壳粒子散射特性的参数优化结果与讨论

4．3．1 球形核壳粒子散射特性的参数优化结果

4．3．2 球形核壳粒子散射特性仿真结果的讨论

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况