双有形波束入射单轴各向异性介质球的散射及辐射力研究

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电磁(光)波与微纳米粒子的相互作用一直都是国际研究的热点问题,其在生物医学、光学检测、微波天线等方面都有着广泛的应用。目前文献讨论的大多数是单个激光束与各向同性/异性介质球之间的相互作用。但针对各向同性/异性介质中球形粒子的光学捕获等性质,使用双波束入射会有更好的效果。本文就从这个方面入手,着重探讨了几种有形波束在双波束入射的情况下,与单轴各向异性介质球形粒子的相互作用。论文主要成果如下:1、首先通过球矢量波函数的正交完备性和傅里叶变换得到了单轴各向异性介质球的内场展开,然后使用局域积分近似法,导出了直角坐标系下任意方向入射的双高斯波束的球矢量波函数展开式和总的波束形状因子。根据广义洛伦兹Mie理论(GLMT)和麦克斯韦张量,导出了散射系数及双高斯波束对单轴各向异性介质粒子的横向和轴向辐射力的解析表达式。数值计算了双高斯波束入射下单轴各向异性介质球的雷达散射截面(RCS)和辐射力分布,分析了束腰宽度、入射角、极化角、粒子半径、各向异性参数等对散射强度角分布及横向和轴向辐射力的影响。2、研究了任意方向传播双零阶贝塞尔波束入射单轴各向异性球形粒子的散射和辐射力特性,利用球矢量波函数的正交完备性,给出了入射场、散射场以及各向异性介质内场的展开形式。导出了双零阶贝塞尔波束入射各向异性介质球的散射及辐射力的解析表达式。数值计算了半锥角和入射角不同时对单轴各向异性介质球的RCS角分布的影响。详细讨论了粒子半径、入射角、极化角、各向异性介质特征值、半锥角等参数对辐射力的影响,并与双高斯波束及单零阶贝塞尔波束入射情况进行了对比分析。3、进一步研究了任意方向传播双高阶贝塞尔涡旋波束入射单轴各向异性介质球的散射和辐射力特性。给出了任意方向传播高阶贝塞尔涡旋波束不同极化方式(线极化、圆极化、径向极化)下的电磁场分量,计算了各种参数下的电场分布。基于球矢量波函数的正交完备性及坐标旋转定理,导出了任意方向传播的双高阶贝塞尔涡旋波束展开形式及系数的表达式。利用麦克斯韦张量和GLMT得到了散射强度以及辐射力的解析表达式,详细讨论了阶数、半锥角、入射角等参数对各向异性介质球的散射强度角分布及辐射力分布的影响,并与双零阶贝塞尔波束入射情况进行了对比分析。本文详细讨论了任意方向传播双高斯、零阶贝塞尔及高阶贝塞尔涡旋波束入射单轴各向异性介质球的散射及辐射力特性,希望能在粒径分析、复杂微纳米粒子、生物医药等方面提供理论支撑。
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