Investigation of multiple metal nanoparticles near-field coupling on the surface by discrete dipole approximation method

We use the method of discrete dipole approximation with surface interaction to construct a model in which a plurality of nanoparticles is arranged on the surface of BK7 glass. Nanoparticles are in air medium illuminated by evanescent wave generated from total internal reflection. The effects of the wavelength, the polarization of the incident wave, the number of nanoparticles and the spacing of multiple nanoparticles on the field enhancement and extinction efficiency are calculated by our model. Our work could pave the way to improve the field enhancement of multiple nanoparticles systems.

球锥扁椭球冰粒后向散射实验与DDA计算研究

采用实验室观测和 DDA法理论计算 ,分别获得了球锥扁椭球形冰粒对 3 .2、5.6和 1 0 .7cm三种波长极化波的后向散射特性数据。结果表明 ,测量资料和计算数据具有很好的一致性。球锥扁椭球形冰粒的后向散射截面大小不仅依赖于其尺寸 (等容半径 )而且受其形状影响 ,“差反射率因子 ZDR”与粒子形状参数“水平—垂直尺度比”呈很好的线性正相关。

太赫兹波段下切比雪夫粒子散射特性研究

为探究太赫兹波段下沙尘粒子的散射特性,本文采用离散偶极子近似方法对不同切比雪夫模型(Chebyshev)的沙尘粒子散射特性进行研究。分别计算1.5 THz、2.524 THz、3.437 THz频率下的切比雪夫粒子不同物理性质如粒子尺寸、粒子形状,对其散射特性如后向散射截面(C_(bak))、衰减截面(C_(ext))、散射截面(C_(sca))、单次散射反照率(ω)等的影响。结果表明:同一波纹参数下,1.5 THz时粒子尺寸对Cext和Csca的影响较大;2.524 THz时粒子尺寸变化对C_(bak)影响较大;同一频率下,波形参数为2~5的粒子尺寸变化对各光学截面的影响较其他形状有明显不同;三个频率下,各波纹参数的粒子在有效半径大于10μm时单次散射反照率都大于0.95。

干扰气溶胶及火灾烟颗粒光散射特性数值模拟研究

为解决传统光电感烟探测器易受到干扰气溶胶(水蒸气、粉尘等)影响而导致误报率较高的问题,提出1种火灾烟颗粒和干扰气溶胶区分识别方法。根据不同粒径大小、复折射率及形貌特征,建立明火烟颗粒(分形凝聚体)、阴燃/热解烟颗粒(球形)、水滴(球形)、粉尘(椭球)的散射模型,基于离散偶极子近似方法及Mie散射理论,研究其在405 nm波长和870 nm波长下的光散射特性。研究结果表明:火灾烟颗粒与干扰气溶胶在2种波长下的散射光强具有较大区别,尤其在前向散射角度时S 11比值的区别更为明显。研究结果可对传统光电感烟探测器光路结构设计优化改进,降低误报率。

基于蒙特卡罗方法的烟幕透过率计算与分析

烟幕透过率是表征烟幕干扰性能的重要参数。以等效粒径为0.1μm的石墨为例,就不同形状的石墨粒子组成的烟幕,基于蒙特卡罗方法对烟幕透过率进行了数值计算。利用Mie散射理论和离散偶极子近似(DDA)方法分别计算了球形粒子、椭球形粒子和圆柱形粒子对1.06μm波长的入射光单次散射的消光参量。对于入射光在烟幕中的传输,建立了蒙特卡罗模拟计算模型,利用MATLAB语言编制了相应的计算程序,给出了不同纵横比的椭球形粒子和圆柱形粒子相应的烟幕透过率计算结果,并和等体积球粒子相应的烟幕透过率进行了比较分析。结果表明:透过率与烟幕中粒子形状、粒子数密度、入射光的入射角度及烟幕厚度有关,粒子形状越偏离球形,对应透过率越小。

基于离散偶极子近似生物细胞光散射研究

用离散偶极子近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)对生物细胞的光散射特性进行数值模拟,分析讨论了基于生物细胞的相对折射率、散射截面、粒子直径等的光散射图像。分析表明,生物细胞的散射光强随着散射角度和相对折射率的增大而增大,散射的主要能量集中在10°散射角以内。然后设计了用于分析悬浮生物细胞的光散射实验装置,并以悬浮的牛肾细胞作为实验样品,进行实验研究。分析结果显示,模拟数据与实验数据符合较好。为进一步研究生物细胞散射特性以及无损检测提供一种理论和实验方法。

激光在随机分布烟尘团簇粒子中的衰减特性

基于分形理论,采用团簇—团簇凝聚模型对随机分布烟尘团簇粒子的分形结构进行了模拟.利用离散偶极子近似方法研究了不同类型的随机分布烟尘团簇粒子的单次散射特性.利用蒙特卡罗方法研究了激光信号在随机分布烟尘团簇粒子中的传输衰减特性.讨论了入射角、激光波长、烟尘粒子数密度以及组成单个烟尘团簇粒子的原始微粒粒径和数目等参量对激光衰减特性的影响.研究结果对激光在复杂随机介质中的传输衰减特性分析提供了理论依据.

鳞片石墨粒子红外消光性能数值计算

利用离散偶极子近似（DDA）方法计算了圆形鳞片石墨粒子对中远红外消光性能与波长、圆片直径和厚度等的关系，结果表明，片径3～4mm的圆形鳞片石墨粒子（厚度为直径的1/10）对中远红外的消光性能较好，散射作用大于吸收作用，圆片粒子的消光性能明显好于对应有效半径的球形粒子的消光性能，圆片厚度越薄，消光系数越大，并逐渐趋于最大值。

水雾包裹沙尘颗粒核壳结构的散射特性研究

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1.2μm增大到4.8μm,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0.6μm增加到2.4μm,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。

红外波段气溶胶粒子光学特性的数值计算

气溶胶是大气电磁环境中的重要组成部分,气溶胶粒子的光学特性是研究红外遥感、目标探测等激光传输特性的一个关键问题。依据粒子电磁散射理论,利用离散偶极子近似方法对不同形状、不同成分气溶胶粒子的光学特性进行计算,得到气溶胶粒子散射截面、吸收截面及不对称因子等光学特征量在0.71～11μm波段的数值结果。结果显示:入射光波长、气溶胶粒子折射率及气溶胶粒子形状是影响气溶胶粒子光学特性的主要因素。散射截面、吸收截面及不对称因子等光学特征量的数值结果也为研究气溶胶中红外激光的传输特性提供了参考依据和计算方法。

六角形冰晶的94 GHz毫米波后向散射特性的模拟计算分析

利用离散偶极子近似法(DDA),研究了等效半径Re在0.8 mm范围内的柱状和片状冰晶在不同空间取向、温度和尺度比时,对94 GHz雷达发射的水平偏振波产生的后向散射,并讨论了等效雷达反射率因子Ze随粒子谱中值直径及冰水含量的变化。结果表明,温度对后向散射效率的影响较低,空间取向对后向散射效率的影响与粒子大小和形状有关。当雷达波垂直指向天顶,在冰晶粒子等效半径Re<0.8 mm时,水平取向冰晶的后向散射效率比随机取向大,粒子越偏离球形,差别基本上越大;在同一取向时,粒子越偏离球形,后向散射效率基本上越大。在一定冰水含量下,取向、形状和冰晶谱的形状参数对Ze的影响和粒子谱中值直径有关;对于垂直指向的雷达,如果将六角形冰晶等效为等体积球形冰晶,当粒子较大(0.4 mm<Re<0.8 mm)时,其Ze将被低估。

随机取向烟尘团簇粒子的光学截面的数值计算

采用蒙特卡罗方法根据团簇—团簇凝聚(CCA)模型对由球形原始微粒凝聚而成的烟尘团簇粒子进行了模拟,利用离散偶极子近似(DDA)方法数值计算了不同原始微粒粒径和数目组成的随机取向的烟尘团簇粒子的总消光截面、吸收截面及散射截面等光学特性参数,研究了原始微粒粒径及数目对随机取向烟尘团簇粒子光学特性的影响.结果表明:当入射波长一定时,随机取向烟尘団簇粒子的光学特性主要取决于原始微粒的粒径和数目;烟尘团簇粒子对不同波段激光的吸收和散射存在差别,这种差别随原始微粒粒径及数目变化而变化.这一工作为研究电磁波在烟尘中的传输特性提供重要参考数据.

随机分布烟幕凝聚粒子对激光的消光特性研究

基于团簇-团簇凝聚(CCA)模型采用蒙特卡罗方法对随机分布的碳黑烟幕凝聚粒子进行了模拟,用离散偶极子近似(DDA)方法研究了该模型对激光的消光特性。研究表明:碳黑烟幕凝聚粒子对激光的消光特性受原始微粒数量及粒径的影响,粒子的凝聚将削弱烟幕的红外消光性能;当凝聚结构中原始微粒的数量一定时,存在使烟幕红外消光性能达到最大的原始微粒粒径。

离散大块体断裂破坏分析方法研究

一般离散单元计算方法(包括DDA方法)受离散块体低阶线性位移近似的限制,在模拟开裂过程时,需要将大部分实际上连续的区域离散化,离散方式对分析结果有显著影响。为了建模时利用真实结构面来构造块体系统,提高大块体位移应力分析精度,有必要引进新的位移近似假设。本项研究在块体内引入无网格法位移模式,以离散节点位移自由度代替原基本块体自由度,并在此基础上进行块体内非贯穿裂纹扩展和强度破坏分析。为此建立的无网格法裂纹扩展分析算法,采用满足单位分解条件的特殊增强型函数表达裂纹周围应力场的非连续、奇异特性,将对应的扩展自由度动态映射到裂纹周围的节点上,统一按DDA法隐式迭代方式求解,实现块体裂纹扩展和强度分析,相关算例结果显示该算法是合理有效的。

随机取向烟幕凝聚粒子的消光特性

采用蒙特卡罗方法根据团簇—团簇凝聚(CCA)模型对由球形原始微粒凝聚而成的烟幕凝聚粒子进行模拟,用离散偶极子近似(DDA)方法研究随机取向烟幕凝聚粒子的消光特性.结果表明,凝聚粒子的消光特性受到原始微粒数量以及粒径的影响,粒子的凝聚将减弱烟幕的消光性能;当凝聚结构中原始微粒的数目一定时,存在使烟幕消光性能达到最大的原始微粒粒径.

掺杂对随机取向团簇粒子辐射特性的影响

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.

分形结构对随机取向烟尘团簇粒子光散射特性的影响

利用蒙特卡罗方法对不同分形维数和分形前向因子的随机取向烟尘团簇粒子的分形结构进行了仿真,采用离散偶极子近似(DDA)方法对随机取向烟尘团簇粒子的缪勒矩阵元进行了数值计算,并与球形粒子模型进行了比较,深入探讨了烟尘团簇粒子的分形维数和分形前因子对其散射特性的影响.研究表明,等效球形粒子的光散射特性与随机取向烟尘团簇粒子的光散射特性存在很大差别,并且此差别随着团簇粒子的分形维数以及分形前向因子的增大而减小;分形维数对表征团簇粒子散射特性的缪勒矩阵元的影响在一定散射角范围内均比较明显,分形前向因子对团簇粒子的缪勒矩阵元角分布的影响与分形维数的影响类似,不过其影响相对分形维数较弱.

随机取向内外混合凝聚粒子辐射特性

采用离散偶极子近似方法对随机取向混合凝聚粒子在内外混合状态下的光学截面、单次散射反照率以及非对称因子等辐射特性参量进行了数值计算,详细讨论了混合方式、混合比等因素对混合凝聚粒子辐射特性的影响。研究表明,混合凝聚粒子的混合方式对非对称因子的影响非常大,对散射截面和单次散射反照率的影响比较大,但是对吸收和消光截面的影响不明显。随着凝聚粒子中基本粒子粒径和数量的增大,非对称因子、散射截面以及单次散射反照率受混合方式的影响变得愈加明显。此外,混合比的变化对不同混合状态下的凝聚粒子的辐射特性参量均存在不同程度的影响,并且此影响随着基本粒子粒径和数量的变化而显著变化。混合比相同情况下,所有外混合凝聚粒子的散射截面均大于内混合凝聚粒子的散射截面,而单次散射反照率却相应减小。

随机取向气溶胶凝聚粒子光学特性研究

利用Cluster-cluster aggregation(CCA)模型,模拟了由64个球形原始微粒凝聚而成的四种随机取向气溶胶凝聚粒子.结合离散偶极子近似方法,分别得到了不同入射角和不同尺寸参数情况下气溶胶凝聚粒子的吸收、散射、消光效率因子和不对称因子的数值结果,并比较分析了四种形状气溶胶凝聚粒子吸收、散射、消光效率因子和不对称因子的差异.结果显示:对于相同数目原始微粒的气溶胶凝聚粒子,其光学特性明显依赖于入射光的入射角度和气溶胶凝聚粒子的形状;对于不同尺寸参数的气溶胶凝聚粒子,当入射光波长给定时,吸收、散射和消光效率因子最初随尺寸参数增大而快速增大,随后又随尺寸参数增大缓慢变小,但在尺寸参数变化过程中存在一个极大值;不对称因子则随尺寸参数的增大一直呈增大趋势,且随尺寸参数的增大趋近于1.

随机取向六角形冰晶粒子的散射特性研究

利用离散偶极子近似方法研究卷云中随机取向六角形冰晶粒子的取向比对散射特性的影响,数值计算了在小尺度范围内随机取向六角形冰晶粒子的散射特征量,包括散射相函数、消光效率因子、不对称因子、单次散射反照率和线偏振度。研究表明:取向比对随机取向六角形冰晶粒子散射特征量的影响比较明显,并且此影响随着粒子尺度参数的变化而变化,与入射波长无关;相同尺度参量和不同取向比粒子的散射相函数的角分布曲线均有一个交点,并且随着粒子尺度参量的增加,交点所对应的散射角度值逐渐向小角度方向移动。此研究结果为气溶胶粒形检测和识别提供了理论依据。