高斯光束对矿物气溶胶散射截面的模拟

抽象的

基于广义Lorenz Mie理论（GLMT），研究了高斯梁内矿泉醇的散射横截面，提出了包括长石，石英和红色粘土的真正矿物气溶胶的散射横截面的适当建模。在该造型中，施加球形形状以表示真实的非球形矿物气溶胶，并且这些非球颗粒随机分布在高斯梁区域内。同时，Monte Carlo统计估计方法用于确定这些随机的非球颗粒的分布位置。此外，提出了一种用于非球颗粒的方法来表示真正的矿物气溶胶的散射横截面。除此之外T.矩阵方法还用于计算球状颗粒的散射横截面，以比较平面波和高斯波之间的散射特性。仿真结果表明，通过这种方法可以获得矿气质散射横截面的相当合理的结果，可以通过这种方法获得矿物气溶胶的散射横截面，可以提供可靠而有效的方法来再现由高斯照亮的真实随机分布的矿泉醇的散射横截面的方法光束。

1.介绍

粒子的光散射问题已经成为一个重要的研究课题，在广泛的应用领域[1-5.］．由于已经建立了光散射，因此研究了平面波盒的粒子的电磁光散射[1］．并运用一些常用的理论和方法对这一问题进行了分析。当飞机光波入射到粒子,经典的米氏理论,离散偶极子近似(DDA)T.矩阵方法和时域有限差分（FDTD）方法可用于球和nonsphere颗粒[6.-9.］．然而，可以应用这些方法中没有一种方法来分析和计算非平面波的颗粒的散射，例如高斯光束入射或顶帽梁。

近年来，随着激光技术的发展，其应用领域的扩大，激光已被用于颗粒大小和颗粒等的景气荣枯的测量。它公知的是通过Gouesbet提出的广义Lorenz Mie理论（GLMT）是洛伦茨Mie理论对于任意入射成形波束的概括如高斯光束（激光基波模TEM00）和光片[10.-12.］．

在本文中，对于实际的非球形无机气溶胶散射截面进行了研究，并且为长石的散射截面的造型，石英，和红粘土进行。实际上，非球形计算和测量显示从球体颗粒[显著差异13.-16.］．在这里，我们选择球形以代表非球矿物气溶胶，以研究高斯光束发病率内的非球颗粒的散射横截面。

2.理论方法与计算

在GLMT框架，包括电场和磁场能够通过标量维奇电位（BSP）的球面坐标系中（描述入射高斯波束场R.那θ那φ）[10.-12.］．然后发现现场组件是 在哪里和分别是横向磁场（TM）和横向电场（TE）BSP; ; 和分别称为电场和磁性引入领域;是球形坐标系;是波数;是电磁波的角频率;和和分别为介质的渗透率和介电常数。

散射截面和颗粒的消光截面由评价 在哪里和是glmt的广义功能，和是米氏理论的散射系数，并且和是磁和电能。

该方法将粒子随机定位在高斯光束中，粒子在光束中的位置信息决定了粒子的散射特性。在图中1中，光束传播单独Z.来自否定的轴Z.积极的Z.，电场分量基本上是振动的X轴。坐标原点O.是光束腰中心，其束腰半径是 。入射波长的单位λ和粒子半径R.以及梁腰部半径 那是μm [17.］．

对于被测粒子系统，粒子可以分布在高斯光束中的任意位置[18.］．在这里，我们的半圆区域，也就是定义粒子， 。

桌子1示出了球形粒子的散射横截面，在高斯梁中具有不同位置。颗粒半径R.是0.1，入射波长λ腰围半径是0.5吗是1，和颗粒的相对复杂的反射率m是1.33。在笛卡尔坐标系中，这六个位置分别是(0,0,0)，(0,1,0)，(0,2,10.88)，(0,0,10.88)，(0.1,0.1,0.1)，(0.1,0.1,1)。很明显，粒子位置不同时，球粒子的散射截面也不同。在表2，球体颗粒的散射截面，吸收截面在高斯光束被计算。粒子的相对复杂的反射率m是1.33 + 0.1一世，粒子半径R.是0.1，入射波长λ是0.5，腰部半径是1.我们可以看出球体粒子的吸收横截面仍然不同于高斯梁中的不同位置。

为了研究非球形矿物颗粒，三个气溶胶，即，长石，石英，和红粘土的一般平均散射截面，进行了研究，并且上述旋转椭圆体模型被用来表示真实非球形矿物颗粒。由于颗粒的高斯光束中的散射景气荣枯与所述位置信息相关的，在蒙特卡洛统计估计方法被用于确定这些随机非球形颗粒的分布位置[19.那20.］．制备的位置信息的平均后，就可以得到一般位置的随机颗粒，然后颗粒的平均散射截面也与GLMT框架计算。

数字2给出了不同粒径球形石英颗粒的散射截面。对于一个球体，有两个参数代表它的形状，即长宽比和旋转轴半径。在这里，我们用等表面积球面来表示椭球粒子，等表面积直径可以由椭球粒子来计算。在图中2那等于1和10，分别为1和10T.矩阵方法还用于获得平面波的球状颗粒的散射横截面作为比较[21.］．石英粒子的相对复杂的反射指标m是1.54，和入射波长λ是0.5。我们可以看到高斯光束和平面波之间发生严重差异，差异较大 。这是因为高斯光束逐渐变的平面波时是无限的。数字3.描述了纵横比= 1/3和1/3的球形石英粒子的散射横截面 = 1. The parameter in the horizontal axis is the diameter of rotation axis, and theT.矩阵方法还用于获得平面波的球状颗粒的散射横截面作为比较。

数字4.给出了长石颗粒的散射和吸收横截面。数字5.为长石颗粒的散射和吸收截面，长石颗粒的长宽比为2。对于长石颗粒，其复反射指数的虚部不为零，则可计算长石颗粒的吸收截面。随着等表面直径或旋转轴直径的增大，高斯光束与平面波的差异增大。

数字6.给出红色粘土颗粒的散射和吸收横截面。数字7.为宽高比= 1/2的红粘土颗粒的散射吸收截面。对于红粘土颗粒，其复合反射系数的实部大于长石颗粒和石英颗粒。高斯光束与平面波的差异相对较小 = 10, compared with the differences of scattering and absorbing cross sections of the feldspar particles and the quartz particles.

数据8.和9.显示散射和吸收球形颗粒的横截面，具有1.5 + 0.01一世。在图中9.，入射波长为1.2。根据该模拟，仍有高斯光束和平面波之间的差异，其差异是与较大的入射波长小。

3.结论

本文基于GLMT在高斯梁中研究了非球矿物颗粒的散射横截面。在GLMT的框架中，通用位置信息是由蒙特卡罗统计估计方法的统计，并且计算包括长石，石英和红色粘土的球形颗粒的散射横截面。实际上，球形形状可以用良好的精度代表非球形长石，石英和红色粘土颗粒。为了以更高的效率研究球状颗粒的散射，使用与球体相同的表面积的球体用于计算高斯梁内的球形颗粒的散射横截面，然后是球形颗粒的散射横截面计算在平面波发生率内。结果表明，球体的散射横截面和吸收横截面不同于平面波，并且随着直径的增加，差异更明显。同时，入射波长和矿物颗粒的复杂反射指数也对非球矿物颗粒的散射横截面产生了影响。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

本研究得到浙江省自然科学基金（LY15A020003），四川省教育部主要项目（18ZA0409），四川省应用基础研究项目，以及气象信息共享实验室的开放项目基金和数据挖掘（QGX18009）。作者感谢来自法国Insa de Rouen的GérardGouesbet，用于对GLMT和一些帮助进行有用的讨论。

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