米氏散射
關(guān)注創(chuàng)建者：琳泓c(diǎn)omsol 創(chuàng)建時(shí)間：2019-08-17
米氏散射的實(shí)例教程
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這篇文章描述了如何在 OpticStudio 中建立 DLL 米氏散射（Mie scattering）模型。下方鏈接的范例文件演示了如何以該模型進(jìn)行散射的模擬。范例系統(tǒng)包含了兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)1模擬了光線入射空氣中的水滴后，在散射時(shí)達(dá)到瑞利極限（Rayleigh limit）的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)2則模擬了光線在較大的粒子中發(fā)生散射時(shí)的情形，此時(shí)光學(xué)現(xiàn)象的討論由瑞利極限轉(zhuǎn)變?yōu)?em>米氏散射的范疇。
簡(jiǎn)介
根據(jù)麥克斯韋方程式，光線入射球型粒子會(huì)產(chǎn)生散射的現(xiàn)象，而米氏散射理論為此提供了解析解。此理論可推廣至任意大小的粒子，因此可適用在所有"粒子半徑對(duì)入射波長(zhǎng)比"的情況。這對(duì)于模擬白云中的散射現(xiàn)象1時(shí)很有幫助，同時(shí)也有助于解釋光線入射特定物質(zhì)，如牛奶和生物組織時(shí)所產(chǎn)生的變化。在 OpticStudio 的非序列模式中，我們可以用體散射（bulk scattering）的追跡方式建立這類的模型。此外，Bohren 和 Huffman 的研究為此現(xiàn)象的模擬提供了計(jì)算的依據(jù)。
這篇文章將說明模型在模擬系統(tǒng)中的表現(xiàn)，同時(shí)也會(huì)以一個(gè)大氣中的散射現(xiàn)象作為例子，此模擬將運(yùn)用到米氏理論的 DLL 。
參數(shù)模擬
為了在非序列模式中的對(duì)象上套用米氏散射分布的設(shè)定，如下圖所示，我們需先開啟該物件的屬性字段（Object Properties），并在下方的 Volume Physics 項(xiàng)目中勾選 DLL 定義散射（DLL Defined Scattering），最后在 DLL 字段選擇 MIE.DLL。
為了使這個(gè) DLL 正常運(yùn)行，我們需要輸入5項(xiàng)參數(shù)。
折射系數(shù)
我們?cè)谶@個(gè)字段設(shè)定散射粒子的折射系數(shù)（實(shí)數(shù)部分），而環(huán)境介質(zhì)的折射系數(shù)，則是在材質(zhì)（Material）欄位設(shè)定。
展開 <p>對(duì)于球形納米顆粒被平面光照射后的散射問題，前人mie已經(jīng)給出了精確的數(shù)值解析解來求解散射效率，消光效率，吸收效率，我簡(jiǎn)稱mie散射公式/米氏散射公式。其他形貌（金棒形，金納米星形，正方形等等）不適用mie散射公式。</p><p>在之前第二篇文章的文獻(xiàn)中，作者已經(jīng)給出米氏散射公式如下<img src="https://img.jishulink.com/upload/202304/9c6cb860894a4aafbf373876c4ba6f18.png" alt="捕獲.png"></p><p>作者對(duì)比了用 comsol波動(dòng)光學(xué)模塊 和 米氏解析解 求解出的散射效率，發(fā)現(xiàn)二者吻合，從而證明確實(shí)用波動(dòng)光學(xué)模塊計(jì)算出的結(jié)果正確。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202304/42d7ce04673649fb8191262b7608080d.png" alt="捕獲.png"></p><p><br></p><p>那么我現(xiàn)在也用comsol求解了上述的米氏散射公式，我用三種方法求解消光，散射效率：（1）波動(dòng)光學(xué)模塊。（2）在comsol中手動(dòng)敲入米氏散射公式。（3）用comsol內(nèi)置好的米氏散射公式函數(shù)。發(fā)現(xiàn)三者求解的結(jié)果一致，能復(fù)現(xiàn)出論文，如下圖所示，證明了對(duì)散射，消光效率求解的正確性。
展開 摘要
平面波對(duì)于任意半徑和折射率的球形粒子的吸收和散射問題，米氏解是嚴(yán)格的麥克斯韋求解器。其得到的散射效應(yīng)十分依賴于粒子的大小。根據(jù)其特性，散射可以分為瑞利散射、米氏散射和幾何光學(xué)散射。VirtualLab Fusion中包含了完整的米氏解。該案例研究了不同半徑的球形粒子散射。
模擬任務(wù)
散射分類
非吸收球形的散射（摻雜硅）
吸收球形的散射（金）
在VirtualLab Fusion中查看
VirtualLab Fusion技術(shù)
文件信息
展開 摘要
平面波對(duì)于任意半徑和折射率的球形粒子的吸收和散射問題，米氏解是嚴(yán)格的麥克斯韋求解器。其得到的散射效應(yīng)十分依賴于粒子的大小。根據(jù)其特性，散射可以分為瑞利散射、米氏散射和幾何光學(xué)散射。VirtualLab Fusion中包含了完整的米氏解。該案例研究了不同半徑的球形粒子散射。
模擬任務(wù)
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文件信息
展開 DGTD 求解器
考慮使用米氏散射 （DGTD）獲得金屬納米顆粒的高精度結(jié)果。DGTD 求解器中有限元網(wǎng)格的性質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)更好的收斂，并且不易出現(xiàn)階梯和熱點(diǎn)問題。
下圖顯示了更高精度 FDTD 仿真的橫截面。FDTD 與理論結(jié)果之間的一致性顯然要好得多。此外，較小的網(wǎng)格會(huì)產(chǎn)生更高分辨率的場(chǎng)輪廓，從而更好地解析金屬界面附近的場(chǎng)。
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摘要
平面波對(duì)于任意半徑和折射率的球形粒子的吸收和散射問題，米氏解是嚴(yán)格的麥克斯韋求解器。其得到的散射效應(yīng)十分依賴于粒子的大小。根據(jù)其特性，散射可以分為瑞利散射、米氏散射和幾何光學(xué)散射。VirtualLab Fusion中包含了完整的米氏解。該案例研究了不同半徑的球形粒子散射。
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DGTD 求解器
考慮使用米氏散射 （DGTD）獲得金屬納米顆粒的高精度結(jié)果。DGTD 求解器中有限元網(wǎng)格的性質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)更好的收斂，并且不易出現(xiàn)階梯和熱點(diǎn)問題。
下圖顯示了更高精度 FDTD 仿真的橫截面。FDTD 與理論結(jié)果之間的一致性顯然要好得多。此外，較小的網(wǎng)格會(huì)產(chǎn)生更高分辨率的場(chǎng)輪廓，從而更好地解析金屬界面附近的場(chǎng)。
結(jié)構(gòu)2則模擬了光線在較大的粒子中發(fā)生散射時(shí)的情形，此時(shí)光學(xué)現(xiàn)象的討論由瑞利極限轉(zhuǎn)變?yōu)?em>米氏散射的范疇。
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