武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430065
为探究近红外波段下气溶胶粒子的散射特性，基于离散偶极子近似法，对黑碳和硫酸盐气溶胶内混合核壳结构粒子及同种气溶胶粒子的2种假设结构的光学散射特性进行研究。编译构建以黑碳为核、硫酸铵为壳的核壳结构粒子模型，模拟计算特定入射方向的入射波长（875、1020、1640、2000 nm）下粒子的消光效率因子、散射效率因子、吸收效率因子、不对称因子及单次散射反照率随有效粒径的变化。数值计算结果表明：在同一入射波长下，随着有效粒径的增大，单核核壳粒子、二核团簇粒子、三核团簇粒子的消光、散射、吸收效率因子主要呈先增后减趋势，且3种粒子的散射、消光效率因子相差不超过10%。随着核粒子数增加，粒子结构半径增大，效率因子峰值后移。在4个波长下，多核团簇粒子的不对称因子平均比单核核壳粒子大0.1777、0.1960、0.2900和0.3131，而2种多核粒子的不对称因子平均仅相差0.096。在有效粒径相同的情况下，单核核壳粒子的单次散射反照率基本高于多核粒子，波长越大差异越明显。该研究结果可对复杂大气环境下气溶胶粒子的光学散射特性、污染物及气候效应监测等领域的分析提供一定的参考价值。
红外波段 气溶胶粒子 核壳粒子 离散偶极子近似法 散射与吸收 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0529001
1 西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048
2 陕西理工大学物理与电信工程学院, 陕西 汉中 723001
3 陕西省智能协同网络军民共建重点实验室, 陕西 西安 710126
藻类浮游颗粒对激光的散射和吸收是水下蓝绿激光通信性能在海水中衰减的主要原因。依据离散偶极子理论,建立了双椭球、四椭球、柱型丝状、环型丝状和S型丝状五种主要团聚核壳蓝藻颗粒模型,数值计算了核壳藻类粒子在532 nm蓝绿激光波段处的消光系数、吸收系数和散射系数随核壳蓝藻粒子尺寸的变化关系;基于均匀混合层理论,对比了有无中间混合层的核壳蓝藻模型的散射强度随散射角度的变化情况,计算了五种核壳蓝藻模型的粒子尺寸对其散射矩阵元素的影响。计算结果表明:五种藻类在蓝绿激光波段处的吸收系数和散射系数随粒子尺寸的增加而递增,且前向散射强度最大;随着散射角度的增加,五个模型的散射强度都在递减,几个大尺寸藻类模型的散射矩阵元素比值振荡较多。研究结果为海洋水下悬浮藻类颗粒的蓝绿激光散射特性和吸收特性的研究及水下蓝绿激光通信信道的建模提供了参考。
散射 蓝藻粒子 蓝绿激光 离散偶极子近似方法 散射矩阵 光学学报
2021, 41(17): 1729001
1 西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安 710021
2 咸阳师范学院 物理与电子工程学院，陕西 咸阳 712000
3 西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048
在冰晶粒子异质核化理论基础上，建立了椭球形、六角平板和六角棱柱3种簇团形核壳结构冰晶粒子模型，利用离散偶极子近似法(DDA)数值计算同一入射波长下，有效尺寸对核壳结构冰晶粒子消光效率、吸收效率和散射效率的影响、中间均匀混合层对核壳结构冰晶粒子散射强度的影响以及Mueller矩阵元素随散射角度的变化情况。数值结果表明：随着有效尺寸的增大，椭球形、六角平板和六角棱柱3种簇团形核壳结构冰晶粒子的消光效率、吸收效率和散射效率随着有效尺寸的增大分别呈现不同的变化趋势；在相等尺寸条件下，散射强度随散射角度的变化情况与粒子形状有密切关系，且相比于椭球形和六角平板两种簇团形核壳结构冰晶粒子，六角棱柱核壳结构冰晶粒子的前向散射强度最大，散射强度随散射角度的变化曲线振荡更明显。根据Mueller矩阵元素随散射角度的分布情况，可以看出六角棱柱簇团形冰晶结构的散射方向最明显，前向散射强度最大，六角平板和六角棱柱簇团形冰晶结构的Mueller矩阵元素相对球形和椭球形在后向散射场区域的偏差更明显。论文的研究结果为进一步分析复杂冰晶粒子的散射特性，开展高空云层中各种复杂几何形状簇团冰晶粒子的散射特性研究和分析提供支持。
冰晶粒子 离散偶极子近似方法 散射与吸收 ice crystal discrete dipole approximation method scattering and absorption 红外与激光工程
2020, 49(9): 20190545
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230001
2 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
3 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
粒子光散射在众多科学领域有着极其重要的作用, 早期关于粒子光散射的计算大多基于球形粒子假设。但粒子的形状通常并不是完美的球形, 有些粒子还会聚集在一起, 使得外形结构变得更加复杂。Lorentz-Mie 散射理论通常用来计算球形粒子散射, 对于非球形和复杂结构粒子的散射相函数计算则会带来较大偏差。此外, 球形粒子假设对于退偏振效应也无法进行有效的分析。随着计算机算力的提升和算法的改进, 非球形粒子的散射问题除了有限的观测实验研究外, 大多采用数值计算的方法。综述了非球形粒子散射的数值计算方法, 分析了各自的优缺点, 并介绍了非球形粒子光散射实验室测量方法, 以及其在光学、地球物理学、遥感科学、天体物理学、工程学、医学和生物学等领域中的应用。
物理光学 非球形粒子散射 T 矩阵法 离散偶极子近似法 分离变量法 physical optics non-spherical particle scattering T matrix discrete dipole approximation method separation of variables method
1 西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
2 中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471009
分析了硫酸铵、硫酸、硝酸盐、碳和有机碳等组成的雾霾污染物团簇。基于团簇-团簇凝聚(cluster-cluster aggrogation, CCA)模型, 模拟构建不同成分,不同形状团簇粒子。在此基础上运用离散偶极子法计算了雾霾团簇粒子的光散射性质,进而仿真计算了不同形状的 雾霾团簇粒子的光学散射,分析了雾霾团簇粒子散射场强度随散射角、效率因子与尺度因子变化关系,偏振度随散射角的变化结果。 计算结果可用于分析大气雾霾特性和大气光传输特性。
光散射 气溶胶团簇粒子 团簇-团簇凝聚模型 离散偶极子法 optical scattering aerosol particle cluster cluster-cluster aggregation discrete dipole approximation method 大气与环境光学学报
2018, 13(5): 370
1 长春理工大学理学院, 吉林 长春130022
2 西北机电工程研究所, 陕西 咸阳712099
基于离散偶极子近似法(DDA), 对水雾包裹沙尘颗粒的核壳结构光学特性进行研究, 计算了长短轴比例为2∶1的椭球形粒子的核壳结构内、 外层厚度及散射角度变化对光散射特性的影响。 结果表明, 内核大小不变, 外层厚度由1.2 μm增大到4.8 μm, 核壳双层颗粒散射系数和消光系数由3.4和3.43降低到2.543和2.545, 且散射相对强度也明显增大。 外层厚度不变, 内核厚度由0.6 μm增加到2.4 μm, 散射系数和消光系数由3.105和3.111变化为2.76和2.9;可见外层厚度对核壳双层颗粒散射特性的影响更大, 这是由于散射光主要与外层物质相互作用引起的。 散射相对强度随波长的增加而降低, 随核壳结构尺度的增加呈现递增的规律。 该结果对大气中气溶胶和水雾共同作用时的散射特性, 激光在其中的传输特性等研究有参考价值。
离散偶极子近似法 核壳结构 激光散射特性 Discrete dipole approximation method Core-shell structure Laser scattering property 光谱学与光谱分析
2014, 34(12): 3218
1 山东理工大学理学院, 山东 淄博 255049
2 西安电子科技大学理学院, 陕西 西安 710071
基于分形理论，采用蒙特卡罗方法对随机分布的混合凝聚粒子的空间结构进行了仿真模拟。利用Bruggeman有效介质理论得到了占有不同体积份额黑碳的内混合凝聚粒子的等效复折射率。采用离散偶极子近似方法对随机分布混合凝聚粒子在内外混合状态下的吸收、散射和消光效率因子等消光特性参量进行了数值计算，深入探讨了混合方式、容积含量、入射波长以及基本粒子粒径和数量对混合凝聚粒子消光特性的影响规律。通过将所得数值结果与T矩阵方法的数值结果进行比较发现，两种数值方法计算的结果非常相近。结果表明，随机分布混合凝聚粒子的散射效率因子对混合方式非常敏感，消光效率因子对混合方式较敏感，而吸收效率因子对混合方式不敏感。随着凝聚粒子尺度参数的增大，混合方式对散射和消光效率因子的影响逐渐显著。内外混合方式下，随着黑碳体积比的增大随机分布混合凝聚粒子的吸收、散射和消光效率因子均近似线性增大，并且增大的幅度随着粒子尺度参数的增大而增大。
散射 混合凝聚粒子 Bruggeman有效介质理论 离散偶极子近似方法 消光特性
1 山东理工大学 理学院，山东 淄博 255049
2 西安电子科技大学 理学院，西安 710071
利用Bruggeman有效介质理论得到了占有不同体积份额杂质的团簇粒子的等效复折射率.采用离散偶极子近似方法对包含有不同化学成分的随机取向团簇粒子的散射相函数、消光、吸收、散射效率因子、单次散射反照率以及不对称因子等辐射特性参量进行了数值计算，深入探讨了掺杂量对随机取向团簇粒子辐射特性的影响.研究表明，掺杂对随机取向团簇粒子的辐射特性产生显著的影响，并且此影响随着粒子尺度参量的变化而变化.这一工作对研究多种化学成分组成的混合气溶胶的辐射及气候效应具有重要科学价值.
团簇粒子 辐射特性 Bruggeman有效介质理论 离散偶极子近似方法 Cluster agglomerates Radiative properties Bruggeman effective medium theory Discrete dipole approximation method
1 山东理工大学理学院， 山东 淄博 255049
2 西安电子科技大学理学院， 陕西 西安 710071
利用离散偶极子近似方法对粘附不同粒径、不同化学成分大粒子的复杂凝聚粒子的光散射特性进行了研究，数值计算了复杂凝聚粒子的散射强度和线偏振度随散射角的分布规律，分析了大粒子的粒径、化学成分对整个凝聚粒子光散射特性的影响。研究表明，凝聚粒子中大粒子的粒径和化学成分对整个凝聚粒子的光散射特性影响较大，此影响随着大粒子粒径的增大变得更加明显。
物理光学 光散射特性 离散偶极子近似方法 烟尘凝聚粒子 激光与光电子学进展
2011, 48(10): 102601
采用蒙特卡罗方法，根据团簇-团簇凝聚(CCA)模型对随机取向且具有分形结构的煤烟气溶胶粒子进行了仿真模拟，利用离散偶极子近似(DDA)方法计算了随机取向的煤烟气溶胶粒子从紫外到红外波段的吸收、散射与消光效率因子，得到了太阳辐射波长、原始微粒的粒径和数目对煤烟气溶胶粒子的消光特性影响规律。通过将所得数值结果与T矩阵方法的数值结果进行比较发现，两种数值方法计算的结果非常相近，这验证了所用DDA方法的正确性。研究表明，炭和灰凝聚粒子对太阳辐射存在着不同程度的消光作用，其消光影响主要集中在紫外到近红外波段；随机取向的煤烟气溶胶粒子对太阳辐射的消光特性受基本粒子数量和粒径的影响比较大。
大气光学 煤烟气溶胶粒子 离散偶极子近似方法 消光特性
