双层球形颗粒的光散射计算‘
刘
蕾1’2,王华睿2,一,于彬2,许亚敏2,沈建琪2
(1.安徽工业大学数理学院,安徽马鞍山243002;2.上海理工大学理学院。上海200093;
3.徐州师范大学物理与电子工程学院,江苏徐州221116)
摘要:在光散射颗粒测量技术中,Mie散射理论的计算非常重要。方面,出现了越来越多与细微颗粒密切相关的技术本文中讨论了双层球形颗粒光散射的计算方法.对计算过程中不同问题,其中双层球形颗粒得到了越来越多的应用【1】。函数参量选用了合适的递推计算方法.改进的计算方法克服了以前算法在实际运算中遇到的误差。计算了若干物理量.如消光系数、散例如.工业生产过程中.在熔炉里燃烧的煤粉颗粒常射系数、吸收系数以及CPU运算速度。计算结果表明,选用的方法简常包有水或者液体燃料;在化学领域,聚合体颗粒在单、迅速、稳定且误差小。
表面涂以表面活性剂,可以稳定聚合体溶液的性质;关键词:双层颗粒.Mie散射.数值计算方法在材料加工领域中.可以将两种不同材料的部分特中图分类号:0436-2
文献标识码:A
性集合于一体的具有核壳结构的双层介质颗粒等:文章编号:1008—5548(2008)01—001l—05
在生物医疗领域,通过在无机物球体外锚定聚合链形成完整的双层球体.可以用来作为药物载体传送CalculationofLightScatteringby
到人体的特殊部位。此外,白细胞也是很好的双层球CoatedSpheres
形颗粒模型。研究白细胞对光的散射和吸收的特性.可以获得尺寸大小、浓度等方面的信息。为设计高档
UU
Lei1,2,WANG
Hua.Ⅲ产3,YU
Bin2,XUYa—min2,
血液分析类医疗仪器提供很好的理论指导【2一。因此,
SHENJian.口f2
对核壳双层球形颗粒的光学散射特性的分析是一个(1.School
ofMathematicsandPhysics,AnhuiUniversityof
很值得研究的问题。反映颗粒的光学散射特性的物Technology,Ma’anshan
243002;2.Institute
ofScience,Universityof
ShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093;
理量有强度函数、散射系数、吸收系数、消光系数等。3.CollegeofPhysics
andElectronicEngineering,XuzhouNormal
研究双层球形颗粒的光学散射特性.就要从理论上University.Xuzhou221116.China)
精确计算出光散射的这些相关的物理量,其关键就是计算Mie散射系数。
Abstract:It
isimportant
tocalculate
physicalquantities
ofMiescatter-
inginlightscatteringmeasurementtechnology.Anefficientnumerical
algorithmforcomputingthelightscatteringbya
coatedsphereWas
1
pro-Mie散射基本理论
posed.Thecalculation
ofrelevantfunctionsbydifferentrecurrence
algo—
fithmsWasdiscussed.Thenew
algorithmavoidedthenumericaldifficul-
根据Aden-Kerkert4J理论。Bohren和Huffinan[5]
ties,which
gave
riseto
significant
errors
encountered
inpracticebypfi—
给出了双层球形颗粒的Mie散射系数的表达式
or
methods.Theexempli研ngresults
suchas
extinction
efficiency,scat-
teringefficiency
and
absorbingscatteringaswell
as
thecalculationspeed,,一砂。@.)【吵。7(m.O/。)一A以’(m。O/。)卜—。
wereprovided.Theresultsshowthatthisalgorithm
isefficient,fast,nu・
“n一氰葡瓯丽瓦F甄知丽一
mericallystableand
accurate.
Keywords:coatedsphere;Mie
scattering;numerical
algorithm
+一竺丝!!坚!!!丝』竺!!立二垒当!竺!!!塑
mJ毛。’【011)【沙。∽la一—以,以∽lOtl)J
‘~
fn随着现代科学技术的El益进步和发展。在自然易:竺!坐』竺!!坠』竺!!立二皇墨善竺!!!塑!二一界、工业生产、科学研究、环保以及日常生活等各个
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收稿日期:2006一ll—16,修回日期:2008—01—04。基金项目:上海市教委资助项目.编号:07ZZ88。
卜装糕器鞣瓣
£’(d1)眇。(mldl)一B以(ml0【1)]
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第一作者简介:刘蕾(1982一),女,硕士.从事光与物质相互作用研究。E.mail:’hanyuefuqu0555@sohu.tom。通讯联系人:沈建琪:E-mail:AF竺!生』竺坚!型!竺墨!上竺型尘尘竺竺遗!』竺塑(3)
shenjq@online.sh.cno
B.--型坐型蝼坐坦坐堕咝塑盟(4)
ml彪7(mloQ/,。("%d2)一m妒。’(m2仅2)】以(mld2)
式中,m。、m:分别为外层和内核的折射率;a,、a,分别为相应的无因次粒径参量;妒。(z)、疋。(z)、孝。(z)是Riccati—Bessel函数,它们的表达式分别为
北)=、/号。■(z),以(z)=、/孚‘Ⅳ肿{(z),£(z)=、/詈倒2乙;(z)。
其中,J1(z)、N。(z)、日(∞,(z)分别是第一类、第二
”T
”丁
”T
类半整数阶Bessel函数和第二类半整数阶Hankel函数.满足
日∞。(z)可l(z)一fⅣl(z),£(z)却。(z)q以(z)。”÷”÷M÷
这里需要特别指出.本文选择第二类Hankel函
数来表达£(z),则对应的颗粒的折射率虚部取负值;
在有些文献中采用了第一类Hankel函数。这时折射
率虚部应取正值。我们用‘(z)来表示砂。(z)、以(z)、
手。(z)这3个函数中任意一个函数,则存在如下递推关系式[q
C(z)=竺等LE一.(z)一C一:(z)
(5)C’(z)=C一。(z)一导C(z)
(6)
Riccati—Bessel函数的初始值分别为lpo(Z)=sin
Z,
砂07(z)=eosZ,Xo(z)=cosz,肋7(z)=sinz,亭o(z)=sinz+icosz,昴7(z)=cosz-isinz。
Bohren和Huffinan给出了计算双层球形颗粒的Mie散射系数的计算程序[51,他们采用了循环算法。但在实际计算过程中遇到一些数值计算方面的问题。首先,直接用Bohren和Huffman给出的程序进行计算会导致计算失败。这是由于在计算某些阶数时公式(5)、(6)中两项相减的差值较小,使得所得计算结果的有效位数减少或者消失从而导致很大误差;另外,当自变量是大的复数时,Bcssel函数会按照指数形式增大.甚至超出计算机的数值范围同。近年来有不少学者【6~lSl对Mie散射系数的计算提出了不同的改进算法。然而有关双层球形颗粒的Mie散射系数的计算仍存在一些问题,且缺乏系统的研究和
12窿翌圆2008鹎g
1期
数据上的比照。因此,本文对双层球形颗粒Mie散射系数提出一种有效算法。
3
改进的Mie散射系数计算方法
首先可以引入几个与Riccati—Bessel函数相关
的变量,对这几个变量分别选择适合的递推公式。
(1)厶I(z)变量
蚴=铬
计算表明:当变量z为实数和复数时.采用向下递推的方法来计算厶(z)是稳定的,可以得到合理的结果[6"10,1¨司。
u力in一面1
‘8’
下推法的初始值L’(z)可用Lentz的连分式方
法…】进行求解,其中rl’的选取将在下文中介绍。
(2)帐z)变量
眯)_错
尽管M(z)的递推关系与厶。(z)一致,但其初始值不同,故下推法和Lentz连分式法失败。计算表明:当变量Z为实数或复数时。采用向上递推的方法计算
似z)是稳定的,可得到合理的结果【嘲。
似z)一号+iL‘导吨一。(z)
(1o)
‘,
当折射率的虚部取负值时,初始值取Ⅳ0(z)=一i。
当阶数n很大时,眦z)趋向于一“z)。
(3)%(z)变量
%(z)=豁
…)
经过代换,可以用(1)、(2)中计算得到的Ln(z)和
似z)来表示%(z)的递推关系,并采用上推法来计算
坛(z):
坛(z)虮(z)・糌
(12)
』■
I<.,一,‘,<.
其初始值为似z)=sinz+icosz。
需要注意的是:实际计算中,当变量z为实数时
护z)时,M翱的模随着阶数,l的增大快速减小。利用
这个特性可以决定Mie散射计算的最高阶数[oq。对于
帆(z)的模有界,其值小于l。而且当阶数n足够大
n)41(
凳嚣稳然’乎村耕黜Ⅲ微躲灿“
和6。的最高阶数’:
‰z2)=糕
/g/(Zln
,
.f.1a。嘲~l鸠@1)J<1“2
"三1=:雾0I+.324“1]鸠M“@(a训O[<。le一-屹18
蜴
…、
‘谅薪葫硫;再布(IId-+4a:厅+1
I必@,)l<1e一6【d。“.88231
lM@・)I<le一5
,.G经(Zl过,Z2代)=换Q.,-可l(z以1.z得2)鼍一。5,
5)
其初始值为ao(z-,z2)=1l++iicco。tt((zz了1)。文献同指出:无论
变量z。和z2是实数还是复数,只要满足IZl[>lz2I,则随
吒以@J而而赢磊≤篡磊薷赢a6’
矧‰,、阶驴mM)]+Q(mlotI.ml哟砸m,L面(m20t历2)-m丽2L.(m而,ot2)呲(%)吨(%dz)】
r㈤
能@p而磊赢鬲两纛蕻嚣磊q7’
[L(m-a一)一m-M@-)]+Q。(m-at,m-Qz){;高等丢三篝三害寿;ii三警[m-M(d-)—以(m-a・)】
㈦M,、[,,z・撕a・)一地)心(mlotl,mlot2)面m2L两(mzO而t2)-m瓣,L(m丽,oQ[讹)一m-M(m,at)】
m、
M-L仰,a・)一M@・)】+Q沏-a・,m,01:)三掌篙三鼍素焉篙三篝[M(a-)一ⅢzM∞・a・)1
10最口ml=m2时,公式(16)、(17)退化为如F彤式
rE
:1
口。以㈨筹揣(18)
即Mie散射系数表征一个折射率和粒径无因次参量易。堋a.)差渊
(19)
分别为m,和otI的单层均质球形颗粒网。
另一个特殊情况是:当颗粒外层的折射率,,11=1时,Mie散射系数可简化为:
图1
自变量分别为实数和复数时.1厶‘撇。)|’lUI,nal)I、IM』mal)I和
铲蚺:,畿骞蔫器
czo,
IQ.(ma。),(,舭圳的数值计算结果
Fig.1
NumericalcalculationresultsoflL。(mal)卜l/VImal)I、lM。(maI)l和
㈣,
lt2Jl(mal,ma2)I
吃堋呦裂薏末器
图1分别给出Ot.=80和ot2=60时,变量IL岫.)l、
相当于一个折射率和粒径无因次参量分别为m2和%
的单层均质球形颗粒的Mie散射系数。眠(,舢。)I、IM。(ma,)I和IQ。(ma。,,煅2)l的数值计算结
果。只要分别计算出这4个变量,就能计算出Mie散4
计算实・例
射系数。由于采用了合适的递推关系.可对任意大小的吸收性或透明颗粒进行Mie系数计算。
有些学者【捌已对Riccati.Bessel函数相关的几个
在数值计算之前。讨论一下双层球形颗粒光散变量进行了详细的讨论,但只是针对非吸收性颗粒射的两个特殊情况。当颗粒内外层的折射率相等时.
或弱吸收性颗粒情况;对强吸收性大颗粒并没有作
13
表l与Riccati—Bcssel函数相关的几个变量L,如)、^“z)、^“z)的数值对照
Tab.1
Numericalcomparionof£Jz)、^“z)、M』z)related
to
Riccati—Besselfunction
厶(z)
M(z)^以(z)
W.Yang
本文方法
W
Yang
本文方法W.Yang本文方法(O.11449E一15,
(1.05818E.16.
(O.00000,(0.00000,
(O.11533E+69,(・1.53059E+69,
。
--0.10000E+OI)1.00000
0.10000E+On
一1.00000)
-0.15306E+70)
1.15328E+68)
充分的讨论。表1列出了无因次参量a=80,折射率CPU计算时间f在2.40GHzP4计算机上用VC++6.0
,,l=1.05一f情况下.采用本文算法计算出的各变量数编程)以及消光系数比和吸收系数‰的计算结
值。并与W.Yang明的数值进行对照。
果,并与OwenB.Toon和T.P.Ackermanll31(T.A)所从表1中可以看出,当阶数n比较大时,厶(z)与
得结果相比较。可以看出,a。<100时,(T—A)方法的运M(z)正好相反,而l坛(z)l的数值一直比较大。由于
算速度略快于本文方法;而a,≥100时,本文方法比W.Yang采用的折射率虚部取正值。得到的虚部与本
(T—A)方法快。从表2还可看出,两种方法计算得到
文方法得出的结果相差一个负号。眠(z)向上递推的
的消光系数、吸收系数是完全一致的。
初始值与本文的不同.得到的实部和虚部也与本文表3为双层球形颗粒外层和内层折射率分别为正好相反。当n比较大时,两种方法得到的厶(z)和m1_1.1—0.5i,m2=1.2—0.“,外层和内层粒径无因次参
Mn(z)数值差别比较大,这是因为厶(z)对作向下递推量分别为a.=12,d:=10时本文得出的k,如,‰
计算,W.Yang采用了从零近似出发,而我们采用连计算结果,并与解析解以及WenboSun等人的有限分式方法.显然本文的结果更加准确。此外还需要指
差分时域法(FDTD)所得到的结果相比较[21】。可以看出,坛(z)的计算结果在文献7中虚部和实部颠倒(本
出,计算结果比FDTD结果更加准确,与解析解是一文在引用时没作纠正)。
致的。
表2为双层球形颗粒外层和内层折射率分别为表3
消光系数也、散射系数k和吸收系数k的计算结果比较
ml=1.33。m2=1.59—0.66i,且仅2=O.5时本文方法给出的
1ab.3
CalculationresultsofKm。K。and
Kh
表2计算所需CPU时间及消光系数珊散射系数J乙计算结果比较
Tab上CPUtimeandcalculation
resultsof丘。and墨。
l
9.46E.051.16E.04
0.366043
0.366043O.1240270.124027102.00E.04
2.67E.042.21029l2.21029l
2.2067622.2067625
结论
405.18E.046.34E.041.9877621.9877621.9875761.987576709.64E.049.93E.04
2.021424
2.021424
2.0213442.021344本文对双层球形颗粒的Mie散射数值计算提出
1001.39E.031.30E.03
2.1010522.101052
2.1010132.10lOl3一种新的方法,采用L(z)、M(z)、%(z)和Q(z.,z2)来
500
6.24E一03
5.1lE-032.0303722.0303722.03037l2.03037l重构Mie散射系数a。和b∥对Ln(Z)、M(z)、%(z)和
10001.20E.029.76E-032.0165792.0165792.0165782.016578北。,z2)的计算根据各自的规律分别选用相应的递推
50005.70E.02
4.50E-022.0057362.005736
2.005736
2.005736
关系:/4z)的计算采用向下递推法,其初始值由Lentz
14
连分式方法得到;M(z)、帆(z)和a。(z。,z2)由向上递推
法进行计算。数值计算表明.这些递推关系在整个计算范围内是稳定、可靠的。所得结果与前人的工作相符。同时采用的方法也比前人的方法更加简便,因此具有较快的计算速度。参考文献(References):
【l】王乃宁,等.颗粒粒径的光学测量技术及应用[M].北京:原子能出
版社(2000).
【2】CHOIMkNumericalcalculationoflightscatteringfi'om
spherebytheboundary・element
AI
a
[1
0】DAVEJ
V.CoefficientsoftheLegendreandFourierseriesforthe
scatteringfunctionsofspherical1888一1896.
particles叨.Appl
opt,1970,9:
[1l】LENTZWJ.GeneratingBesselfunctionsinMiescatteringcalcula-
tionsusing
continuedfractions[J].Applopt,1976,15:668—671.
【12】WISCOMBEWJ.ImprovedMieScatteringAlgorithms[J】.Appl
opt.1980,19:1505—1509.
【13】TOONOB,ACKERMAN
P.Algorithmsforthecalculationof
ScatteringbyStratifiedSpheres[J].Applopt,1981,20:3657・3660.
T
H
【14】BARTH
layered
G.ModemMethodsofParticleSize
Analysis[M].Wi—
ley,NewYork:1984.
method[J】.Jopt
Soc
Am,2001,
[15】李丰果,杨冠玲,何振江,核壳双层颗粒的外层介质对散射光的影
响叨.激光杂志,2004.25(4):5l・52.
8(3):577・583.
[3】何卫东,潘才元.核壳聚合物粒子【J】功能高分子学报,1997,10
(1):110-117.【4]ADEN
two
A
【16】DUH.Mie—scattefingcalculation,Applopt,2004,43:1951・1956.
[17]KATTAWARGW,PLASSGN.Electromagneticscatteringfrom
absorbingsphere[J].Appl
L,KERKERM.Scatteringofelectromagnetic
wavesfrom
opt,1967.6:1377—1382.
concentricspheresJApplPhys,1951,22:1242-1246.
D
【18】JONES
Light
AR
ElectromagneticScatteringandItsApplications[M].
【5】BOHRENCF,HUFFMAN
bySmall
RAbsorptionandScaRefingof
LondonandNewJersey,1981.
Particles[M].NewYork:Wiley1983.
【19】MACKOwSⅪDW,ALTENKICHRA,MENGUCMP.Internal
absorption
cross
[6】沈建琪,刘蕾.经典Mie散射的数值计算方法改进【J】.中国粉体技
术,2005,11(4):1-5.
sectionsin
a
stratifiedsphere,Applopt.1990,29:
1551.1559.
[7】YANGW.Improvedrecursivealgorithmforlightscatteringby
tilayeredsphere[J].Appl
a
mul—
【20】WUZ,GUOL,PENK,eta1.Improvedalgorithmforeleetromag・
neticscatteringofplane
waves
Opt,2003。42:1710—1720(2003).
ofthe
andshaped
beams
bymultilayered
【8】DAVE
J
V.Subroutinesforcomputingtheparameters
a
electro—
Spheres[J].Applopt,1997.36:5188—5198.
【2l】SUNW,LOEB
immersed
in
N
magneticradiationscatteringbyScientific
sphere,Report:320—3237(ⅢM
G,FU
Q.Lightscatteringbycoated
sphere
Center,PaloAlto,Calif,1968).
ofelectromagneticradiationby
Dev,1969,13:302—313.
a
absorbingmedium:acomparison
betweentheFDTD
【9]DAVE
sorbing
JV.Scattering
large,ab-
andanal),ticsolutions田.JournalofQuantitativeSpectroscopy&
RadiativeTransfer,2004,83:483-492.
sphere[J].IBM
JRes
pppq≯、一_ppppp—pop、,、妒u≯、—。p—ppq—q≯、一p一一ppp、pppp—p—ppppt≯、一q≯、一p≯ppppppq一心ppq—h—、,^p
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插六
插五绵阳流能粉体设备有限公司插六济南微纳仪器有限公司
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插七2008北京粉体周
15
双层球形颗粒的光散射计算
作者:作者单位:
刘蕾, 王华睿, 于彬, 许亚敏, 沈建琪, LIU Lei, WANG Hua-rui, YU Bin, XU Ya-min , SHEN Jian-qi
刘蕾,LIU Lei(安徽工业大学数理学院,安徽,马鞍山,243002;上海理工大学,理学院,上海,200093) , 王华睿,WANG Hua-rui(上海理工大学,理学院,上海,200093;徐州师范大学物理与电子工程学院,江苏,徐州,221116), 于彬,许亚敏,沈建琪,YU Bin,XU Ya-min,SHENJian-qi(上海理工大学,理学院,上海,200093)中国粉体技术
CHINA POWDER SCIENCE AND TECHNOLOGY2008,14(1)0次
刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
参考文献(21条)
1. 王乃宁 颗粒粒径的光学测量技术及应用 2000
2. CHOI M K Numerical calculation of light scattering from a layered sphere by the boundary-elementmethod 2001(03)
3. 何卫东. 潘才元 核壳聚合物粒子[期刊论文]-功能高分子学报 1997(01)
4. ADEN A L. KERKER M Scattering of electromagnetic waves from two concentric spheres 19515. BOHREN C F. HUFFMAN D R Absorption and ScaRefing of Light by Small Particles 19836. 沈建琪. 刘蕾 经典Mie散射的数值计算方法改进[期刊论文]-中国粉体技术 2005(04)
7. Y'ANG W Improved recursive algorithm for light scattering by a multilayered sphere 2003
8. DAVE J V Subroutines for computing the parameters of the electromagnetic radiation scattering by asphere,[Report:320-3237(IB M Scientific Center,Palo Alto,Calif)] 1968
9. DAVE J V Scattering of electromagnetic radiation by a large,absorbing sphere 196910. DAVE J V Coefficients of the Legendre and Fourier series for the scattering functions ofspherical particles 1970
11. LENTZ W J Generating Bessel functions in Mie scattering calculations using continued fractions1976
12. WISCOMBE W J Improved Mie Scattering Algorithms 1980
13. TOON O B. ACKERMAN T P Algorithms for the calculation of Scattering by Stratified Spheres 198114. BARTH H G Modem Methods of Particle Size Analysis 1984
15. 李丰果. 杨冠玲. 何振江 核壳双层颗粒的外层介质对散射光的影响[期刊论文]-激光杂志 2004(04)16. DU H Mie-scattering calculation 2004
17. KATTAWAR G W. PLASS G N Electromagnetic scattering from absorbing sphere 196718. JONES A R Electromagnetic Scattering and Its Applications 1981
19. MACKOwSKI D W. ALTENKICH R A. MENGUC M P Internal absorption cross sections in a stratified sphere1990
20. WU Z. GUO L. PEN K Improved algorithm for eleetromagnetic scattering of plane waves and shapedbeams by multilayered Spheres 1997
21. SUN W. LOEB N G. FU Q Light scattering by coated sphere immersed in absorbing medium:a comparisonbetween the FDTD and analytic solutions 2004
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgftjs200801004.aspx
授权使用:华南师范大学(hnsfdx),授权号:6b96dcb1-a4f0-4262-80b4-9e0f0112cc6d
下载时间:2010年10月14日
双层球形颗粒的光散射计算‘
刘
蕾1’2,王华睿2,一,于彬2,许亚敏2,沈建琪2
(1.安徽工业大学数理学院,安徽马鞍山243002;2.上海理工大学理学院。上海200093;
3.徐州师范大学物理与电子工程学院,江苏徐州221116)
摘要:在光散射颗粒测量技术中,Mie散射理论的计算非常重要。方面,出现了越来越多与细微颗粒密切相关的技术本文中讨论了双层球形颗粒光散射的计算方法.对计算过程中不同问题,其中双层球形颗粒得到了越来越多的应用【1】。函数参量选用了合适的递推计算方法.改进的计算方法克服了以前算法在实际运算中遇到的误差。计算了若干物理量.如消光系数、散例如.工业生产过程中.在熔炉里燃烧的煤粉颗粒常射系数、吸收系数以及CPU运算速度。计算结果表明,选用的方法简常包有水或者液体燃料;在化学领域,聚合体颗粒在单、迅速、稳定且误差小。
表面涂以表面活性剂,可以稳定聚合体溶液的性质;关键词:双层颗粒.Mie散射.数值计算方法在材料加工领域中.可以将两种不同材料的部分特中图分类号:0436-2
文献标识码:A
性集合于一体的具有核壳结构的双层介质颗粒等:文章编号:1008—5548(2008)01—001l—05
在生物医疗领域,通过在无机物球体外锚定聚合链形成完整的双层球体.可以用来作为药物载体传送CalculationofLightScatteringby
到人体的特殊部位。此外,白细胞也是很好的双层球CoatedSpheres
形颗粒模型。研究白细胞对光的散射和吸收的特性.可以获得尺寸大小、浓度等方面的信息。为设计高档
UU
Lei1,2,WANG
Hua.Ⅲ产3,YU
Bin2,XUYa—min2,
血液分析类医疗仪器提供很好的理论指导【2一。因此,
SHENJian.口f2
对核壳双层球形颗粒的光学散射特性的分析是一个(1.School
ofMathematicsandPhysics,AnhuiUniversityof
很值得研究的问题。反映颗粒的光学散射特性的物Technology,Ma’anshan
243002;2.Institute
ofScience,Universityof
ShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093;
理量有强度函数、散射系数、吸收系数、消光系数等。3.CollegeofPhysics
andElectronicEngineering,XuzhouNormal
研究双层球形颗粒的光学散射特性.就要从理论上University.Xuzhou221116.China)
精确计算出光散射的这些相关的物理量,其关键就是计算Mie散射系数。
Abstract:It
isimportant
tocalculate
physicalquantities
ofMiescatter-
inginlightscatteringmeasurementtechnology.Anefficientnumerical
algorithmforcomputingthelightscatteringbya
coatedsphereWas
1
pro-Mie散射基本理论
posed.Thecalculation
ofrelevantfunctionsbydifferentrecurrence
algo—
fithmsWasdiscussed.Thenew
algorithmavoidedthenumericaldifficul-
根据Aden-Kerkert4J理论。Bohren和Huffinan[5]
ties,which
gave
riseto
significant
errors
encountered
inpracticebypfi—
给出了双层球形颗粒的Mie散射系数的表达式
or
methods.Theexempli研ngresults
suchas
extinction
efficiency,scat-
teringefficiency
and
absorbingscatteringaswell
as
thecalculationspeed,,一砂。@.)【吵。7(m.O/。)一A以’(m。O/。)卜—。
wereprovided.Theresultsshowthatthisalgorithm
isefficient,fast,nu・
“n一氰葡瓯丽瓦F甄知丽一
mericallystableand
accurate.
Keywords:coatedsphere;Mie
scattering;numerical
algorithm
+一竺丝!!坚!!!丝』竺!!立二垒当!竺!!!塑
mJ毛。’【011)【沙。∽la一—以,以∽lOtl)J
‘~
fn随着现代科学技术的El益进步和发展。在自然易:竺!坐』竺!!坠』竺!!立二皇墨善竺!!!塑!二一界、工业生产、科学研究、环保以及日常生活等各个
“,n苦。【0【1)【妒。’【ml仅1)一矗以‘(mlot.1)]一
收稿日期:2006一ll—16,修回日期:2008—01—04。基金项目:上海市教委资助项目.编号:07ZZ88。
卜装糕器鞣瓣
£’(d1)眇。(mldl)一B以(ml0【1)]
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”7
第一作者简介:刘蕾(1982一),女,硕士.从事光与物质相互作用研究。E.mail:’hanyuefuqu0555@sohu.tom。通讯联系人:沈建琪:E-mail:AF竺!生』竺坚!型!竺墨!上竺型尘尘竺竺遗!』竺塑(3)
shenjq@online.sh.cno
B.--型坐型蝼坐坦坐堕咝塑盟(4)
ml彪7(mloQ/,。("%d2)一m妒。’(m2仅2)】以(mld2)
式中,m。、m:分别为外层和内核的折射率;a,、a,分别为相应的无因次粒径参量;妒。(z)、疋。(z)、孝。(z)是Riccati—Bessel函数,它们的表达式分别为
北)=、/号。■(z),以(z)=、/孚‘Ⅳ肿{(z),£(z)=、/詈倒2乙;(z)。
其中,J1(z)、N。(z)、日(∞,(z)分别是第一类、第二
”T
”丁
”T
类半整数阶Bessel函数和第二类半整数阶Hankel函数.满足
日∞。(z)可l(z)一fⅣl(z),£(z)却。(z)q以(z)。”÷”÷M÷
这里需要特别指出.本文选择第二类Hankel函
数来表达£(z),则对应的颗粒的折射率虚部取负值;
在有些文献中采用了第一类Hankel函数。这时折射
率虚部应取正值。我们用‘(z)来表示砂。(z)、以(z)、
手。(z)这3个函数中任意一个函数,则存在如下递推关系式[q
C(z)=竺等LE一.(z)一C一:(z)
(5)C’(z)=C一。(z)一导C(z)
(6)
Riccati—Bessel函数的初始值分别为lpo(Z)=sin
Z,
砂07(z)=eosZ,Xo(z)=cosz,肋7(z)=sinz,亭o(z)=sinz+icosz,昴7(z)=cosz-isinz。
Bohren和Huffinan给出了计算双层球形颗粒的Mie散射系数的计算程序[51,他们采用了循环算法。但在实际计算过程中遇到一些数值计算方面的问题。首先,直接用Bohren和Huffman给出的程序进行计算会导致计算失败。这是由于在计算某些阶数时公式(5)、(6)中两项相减的差值较小,使得所得计算结果的有效位数减少或者消失从而导致很大误差;另外,当自变量是大的复数时,Bcssel函数会按照指数形式增大.甚至超出计算机的数值范围同。近年来有不少学者【6~lSl对Mie散射系数的计算提出了不同的改进算法。然而有关双层球形颗粒的Mie散射系数的计算仍存在一些问题,且缺乏系统的研究和
12窿翌圆2008鹎g
1期
数据上的比照。因此,本文对双层球形颗粒Mie散射系数提出一种有效算法。
3
改进的Mie散射系数计算方法
首先可以引入几个与Riccati—Bessel函数相关
的变量,对这几个变量分别选择适合的递推公式。
(1)厶I(z)变量
蚴=铬
计算表明:当变量z为实数和复数时.采用向下递推的方法来计算厶(z)是稳定的,可以得到合理的结果[6"10,1¨司。
u力in一面1
‘8’
下推法的初始值L’(z)可用Lentz的连分式方
法…】进行求解,其中rl’的选取将在下文中介绍。
(2)帐z)变量
眯)_错
尽管M(z)的递推关系与厶。(z)一致,但其初始值不同,故下推法和Lentz连分式法失败。计算表明:当变量Z为实数或复数时。采用向上递推的方法计算
似z)是稳定的,可得到合理的结果【嘲。
似z)一号+iL‘导吨一。(z)
(1o)
‘,
当折射率的虚部取负值时,初始值取Ⅳ0(z)=一i。
当阶数n很大时,眦z)趋向于一“z)。
(3)%(z)变量
%(z)=豁
…)
经过代换,可以用(1)、(2)中计算得到的Ln(z)和
似z)来表示%(z)的递推关系,并采用上推法来计算
坛(z):
坛(z)虮(z)・糌
(12)
』■
I<.,一,‘,<.
其初始值为似z)=sinz+icosz。
需要注意的是:实际计算中,当变量z为实数时
护z)时,M翱的模随着阶数,l的增大快速减小。利用
这个特性可以决定Mie散射计算的最高阶数[oq。对于
帆(z)的模有界,其值小于l。而且当阶数n足够大
n)41(
凳嚣稳然’乎村耕黜Ⅲ微躲灿“
和6。的最高阶数’:
‰z2)=糕
/g/(Zln
,
.f.1a。嘲~l鸠@1)J<1“2
"三1=:雾0I+.324“1]鸠M“@(a训O[<。le一-屹18
蜴
…、
‘谅薪葫硫;再布(IId-+4a:厅+1
I必@,)l<1e一6【d。“.88231
lM@・)I<le一5
,.G经(Zl过,Z2代)=换Q.,-可l(z以1.z得2)鼍一。5,
5)
其初始值为ao(z-,z2)=1l++iicco。tt((zz了1)。文献同指出:无论
变量z。和z2是实数还是复数,只要满足IZl[>lz2I,则随
吒以@J而而赢磊≤篡磊薷赢a6’
矧‰,、阶驴mM)]+Q(mlotI.ml哟砸m,L面(m20t历2)-m丽2L.(m而,ot2)呲(%)吨(%dz)】
r㈤
能@p而磊赢鬲两纛蕻嚣磊q7’
[L(m-a一)一m-M@-)]+Q。(m-at,m-Qz){;高等丢三篝三害寿;ii三警[m-M(d-)—以(m-a・)】
㈦M,、[,,z・撕a・)一地)心(mlotl,mlot2)面m2L两(mzO而t2)-m瓣,L(m丽,oQ[讹)一m-M(m,at)】
m、
M-L仰,a・)一M@・)】+Q沏-a・,m,01:)三掌篙三鼍素焉篙三篝[M(a-)一ⅢzM∞・a・)1
10最口ml=m2时,公式(16)、(17)退化为如F彤式
rE
:1
口。以㈨筹揣(18)
即Mie散射系数表征一个折射率和粒径无因次参量易。堋a.)差渊
(19)
分别为m,和otI的单层均质球形颗粒网。
另一个特殊情况是:当颗粒外层的折射率,,11=1时,Mie散射系数可简化为:
图1
自变量分别为实数和复数时.1厶‘撇。)|’lUI,nal)I、IM』mal)I和
铲蚺:,畿骞蔫器
czo,
IQ.(ma。),(,舭圳的数值计算结果
Fig.1
NumericalcalculationresultsoflL。(mal)卜l/VImal)I、lM。(maI)l和
㈣,
lt2Jl(mal,ma2)I
吃堋呦裂薏末器
图1分别给出Ot.=80和ot2=60时,变量IL岫.)l、
相当于一个折射率和粒径无因次参量分别为m2和%
的单层均质球形颗粒的Mie散射系数。眠(,舢。)I、IM。(ma,)I和IQ。(ma。,,煅2)l的数值计算结
果。只要分别计算出这4个变量,就能计算出Mie散4
计算实・例
射系数。由于采用了合适的递推关系.可对任意大小的吸收性或透明颗粒进行Mie系数计算。
有些学者【捌已对Riccati.Bessel函数相关的几个
在数值计算之前。讨论一下双层球形颗粒光散变量进行了详细的讨论,但只是针对非吸收性颗粒射的两个特殊情况。当颗粒内外层的折射率相等时.
或弱吸收性颗粒情况;对强吸收性大颗粒并没有作
13
表l与Riccati—Bcssel函数相关的几个变量L,如)、^“z)、^“z)的数值对照
Tab.1
Numericalcomparionof£Jz)、^“z)、M』z)related
to
Riccati—Besselfunction
厶(z)
M(z)^以(z)
W.Yang
本文方法
W
Yang
本文方法W.Yang本文方法(O.11449E一15,
(1.05818E.16.
(O.00000,(0.00000,
(O.11533E+69,(・1.53059E+69,
。
--0.10000E+OI)1.00000
0.10000E+On
一1.00000)
-0.15306E+70)
1.15328E+68)
充分的讨论。表1列出了无因次参量a=80,折射率CPU计算时间f在2.40GHzP4计算机上用VC++6.0
,,l=1.05一f情况下.采用本文算法计算出的各变量数编程)以及消光系数比和吸收系数‰的计算结
值。并与W.Yang明的数值进行对照。
果,并与OwenB.Toon和T.P.Ackermanll31(T.A)所从表1中可以看出,当阶数n比较大时,厶(z)与
得结果相比较。可以看出,a。<100时,(T—A)方法的运M(z)正好相反,而l坛(z)l的数值一直比较大。由于
算速度略快于本文方法;而a,≥100时,本文方法比W.Yang采用的折射率虚部取正值。得到的虚部与本
(T—A)方法快。从表2还可看出,两种方法计算得到
文方法得出的结果相差一个负号。眠(z)向上递推的
的消光系数、吸收系数是完全一致的。
初始值与本文的不同.得到的实部和虚部也与本文表3为双层球形颗粒外层和内层折射率分别为正好相反。当n比较大时,两种方法得到的厶(z)和m1_1.1—0.5i,m2=1.2—0.“,外层和内层粒径无因次参
Mn(z)数值差别比较大,这是因为厶(z)对作向下递推量分别为a.=12,d:=10时本文得出的k,如,‰
计算,W.Yang采用了从零近似出发,而我们采用连计算结果,并与解析解以及WenboSun等人的有限分式方法.显然本文的结果更加准确。此外还需要指
差分时域法(FDTD)所得到的结果相比较[21】。可以看出,坛(z)的计算结果在文献7中虚部和实部颠倒(本
出,计算结果比FDTD结果更加准确,与解析解是一文在引用时没作纠正)。
致的。
表2为双层球形颗粒外层和内层折射率分别为表3
消光系数也、散射系数k和吸收系数k的计算结果比较
ml=1.33。m2=1.59—0.66i,且仅2=O.5时本文方法给出的
1ab.3
CalculationresultsofKm。K。and
Kh
表2计算所需CPU时间及消光系数珊散射系数J乙计算结果比较
Tab上CPUtimeandcalculation
resultsof丘。and墨。
l
9.46E.051.16E.04
0.366043
0.366043O.1240270.124027102.00E.04
2.67E.042.21029l2.21029l
2.2067622.2067625
结论
405.18E.046.34E.041.9877621.9877621.9875761.987576709.64E.049.93E.04
2.021424
2.021424
2.0213442.021344本文对双层球形颗粒的Mie散射数值计算提出
1001.39E.031.30E.03
2.1010522.101052
2.1010132.10lOl3一种新的方法,采用L(z)、M(z)、%(z)和Q(z.,z2)来
500
6.24E一03
5.1lE-032.0303722.0303722.03037l2.03037l重构Mie散射系数a。和b∥对Ln(Z)、M(z)、%(z)和
10001.20E.029.76E-032.0165792.0165792.0165782.016578北。,z2)的计算根据各自的规律分别选用相应的递推
50005.70E.02
4.50E-022.0057362.005736
2.005736
2.005736
关系:/4z)的计算采用向下递推法,其初始值由Lentz
14
连分式方法得到;M(z)、帆(z)和a。(z。,z2)由向上递推
法进行计算。数值计算表明.这些递推关系在整个计算范围内是稳定、可靠的。所得结果与前人的工作相符。同时采用的方法也比前人的方法更加简便,因此具有较快的计算速度。参考文献(References):
【l】王乃宁,等.颗粒粒径的光学测量技术及应用[M].北京:原子能出
版社(2000).
【2】CHOIMkNumericalcalculationoflightscatteringfi'om
spherebytheboundary・element
AI
a
[1
0】DAVEJ
V.CoefficientsoftheLegendreandFourierseriesforthe
scatteringfunctionsofspherical1888一1896.
particles叨.Appl
opt,1970,9:
[1l】LENTZWJ.GeneratingBesselfunctionsinMiescatteringcalcula-
tionsusing
continuedfractions[J].Applopt,1976,15:668—671.
【12】WISCOMBEWJ.ImprovedMieScatteringAlgorithms[J】.Appl
opt.1980,19:1505—1509.
【13】TOONOB,ACKERMAN
P.Algorithmsforthecalculationof
ScatteringbyStratifiedSpheres[J].Applopt,1981,20:3657・3660.
T
H
【14】BARTH
layered
G.ModemMethodsofParticleSize
Analysis[M].Wi—
ley,NewYork:1984.
method[J】.Jopt
Soc
Am,2001,
[15】李丰果,杨冠玲,何振江,核壳双层颗粒的外层介质对散射光的影
响叨.激光杂志,2004.25(4):5l・52.
8(3):577・583.
[3】何卫东,潘才元.核壳聚合物粒子【J】功能高分子学报,1997,10
(1):110-117.【4]ADEN
two
A
【16】DUH.Mie—scattefingcalculation,Applopt,2004,43:1951・1956.
[17]KATTAWARGW,PLASSGN.Electromagneticscatteringfrom
absorbingsphere[J].Appl
L,KERKERM.Scatteringofelectromagnetic
wavesfrom
opt,1967.6:1377—1382.
concentricspheresJApplPhys,1951,22:1242-1246.
D
【18】JONES
Light
AR
ElectromagneticScatteringandItsApplications[M].
【5】BOHRENCF,HUFFMAN
bySmall
RAbsorptionandScaRefingof
LondonandNewJersey,1981.
Particles[M].NewYork:Wiley1983.
【19】MACKOwSⅪDW,ALTENKICHRA,MENGUCMP.Internal
absorption
cross
[6】沈建琪,刘蕾.经典Mie散射的数值计算方法改进【J】.中国粉体技
术,2005,11(4):1-5.
sectionsin
a
stratifiedsphere,Applopt.1990,29:
1551.1559.
[7】YANGW.Improvedrecursivealgorithmforlightscatteringby
tilayeredsphere[J].Appl
a
mul—
【20】WUZ,GUOL,PENK,eta1.Improvedalgorithmforeleetromag・
neticscatteringofplane
waves
Opt,2003。42:1710—1720(2003).
ofthe
andshaped
beams
bymultilayered
【8】DAVE
J
V.Subroutinesforcomputingtheparameters
a
electro—
Spheres[J].Applopt,1997.36:5188—5198.
【2l】SUNW,LOEB
immersed
in
N
magneticradiationscatteringbyScientific
sphere,Report:320—3237(ⅢM
G,FU
Q.Lightscatteringbycoated
sphere
Center,PaloAlto,Calif,1968).
ofelectromagneticradiationby
Dev,1969,13:302—313.
a
absorbingmedium:acomparison
betweentheFDTD
【9]DAVE
sorbing
JV.Scattering
large,ab-
andanal),ticsolutions田.JournalofQuantitativeSpectroscopy&
RadiativeTransfer,2004,83:483-492.
sphere[J].IBM
JRes
pppq≯、一_ppppp—pop、,、妒u≯、—。p—ppq—q≯、一p一一ppp、pppp—p—ppppt≯、一q≯、一p≯ppppppq一心ppq—h—、,^p
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插六
插五绵阳流能粉体设备有限公司插六济南微纳仪器有限公司
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插七2008北京粉体周
15
双层球形颗粒的光散射计算
作者:作者单位:
刘蕾, 王华睿, 于彬, 许亚敏, 沈建琪, LIU Lei, WANG Hua-rui, YU Bin, XU Ya-min , SHEN Jian-qi
刘蕾,LIU Lei(安徽工业大学数理学院,安徽,马鞍山,243002;上海理工大学,理学院,上海,200093) , 王华睿,WANG Hua-rui(上海理工大学,理学院,上海,200093;徐州师范大学物理与电子工程学院,江苏,徐州,221116), 于彬,许亚敏,沈建琪,YU Bin,XU Ya-min,SHENJian-qi(上海理工大学,理学院,上海,200093)中国粉体技术
CHINA POWDER SCIENCE AND TECHNOLOGY2008,14(1)0次
刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
参考文献(21条)
1. 王乃宁 颗粒粒径的光学测量技术及应用 2000
2. CHOI M K Numerical calculation of light scattering from a layered sphere by the boundary-elementmethod 2001(03)
3. 何卫东. 潘才元 核壳聚合物粒子[期刊论文]-功能高分子学报 1997(01)
4. ADEN A L. KERKER M Scattering of electromagnetic waves from two concentric spheres 19515. BOHREN C F. HUFFMAN D R Absorption and ScaRefing of Light by Small Particles 19836. 沈建琪. 刘蕾 经典Mie散射的数值计算方法改进[期刊论文]-中国粉体技术 2005(04)
7. Y'ANG W Improved recursive algorithm for light scattering by a multilayered sphere 2003
8. DAVE J V Subroutines for computing the parameters of the electromagnetic radiation scattering by asphere,[Report:320-3237(IB M Scientific Center,Palo Alto,Calif)] 1968
9. DAVE J V Scattering of electromagnetic radiation by a large,absorbing sphere 196910. DAVE J V Coefficients of the Legendre and Fourier series for the scattering functions ofspherical particles 1970
11. LENTZ W J Generating Bessel functions in Mie scattering calculations using continued fractions1976
12. WISCOMBE W J Improved Mie Scattering Algorithms 1980
13. TOON O B. ACKERMAN T P Algorithms for the calculation of Scattering by Stratified Spheres 198114. BARTH H G Modem Methods of Particle Size Analysis 1984
15. 李丰果. 杨冠玲. 何振江 核壳双层颗粒的外层介质对散射光的影响[期刊论文]-激光杂志 2004(04)16. DU H Mie-scattering calculation 2004
17. KATTAWAR G W. PLASS G N Electromagnetic scattering from absorbing sphere 196718. JONES A R Electromagnetic Scattering and Its Applications 1981
19. MACKOwSKI D W. ALTENKICH R A. MENGUC M P Internal absorption cross sections in a stratified sphere1990
20. WU Z. GUO L. PEN K Improved algorithm for eleetromagnetic scattering of plane waves and shapedbeams by multilayered Spheres 1997
21. SUN W. LOEB N G. FU Q Light scattering by coated sphere immersed in absorbing medium:a comparisonbetween the FDTD and analytic solutions 2004
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