复杂含核粒子对无衍射波束散射问题的研究

This project is supposed to investigate the scattering of arbitrarily incident nondiffrating Bessel beams by complex particles with inclusions using the method of combing analytical solution and numerical simulation. Specifically, the scalar expressions of Bessel beam in combination with rotation defined by Euler angles is used to describe the arbitrarily incident Bessel beam in terms of electric and magnetic fields. The generalized Lorenz-Mie theory (GLMT), which is an exact and efficient analytical method, is adopted to solve the problem of Bessel beam scattering by regular particles with inclusions, such as coated sphere, eccentric sphere, and son on. The method of moments (MOM) and its fast algorithm based on the surface integral equations is utilized to numerically simulate the scattering of Bessel beam by complex particles with inclusions of arbitrary shape and structure. Through investigating the scattering properties of systems of particles with inclusions illuminated by Bessel beams, it is expected to clarify the effect of the quantity, size, shape and position of the inclusions on scattering intensity distribution, and reveal the rule of scattering of nondiffrating beams by particles with inclusions, then provide key theoretical support and practical guidance for techniques of laser detection on particle, diagnosis, and manipulation.

本项目拟采用理论求解和数值模拟相结合的方法研究复杂含核粒子对任意入射无衍射贝塞尔波束的散射问题。将通过贝塞尔波束标量解的形式和坐标系旋转理论,推导出能够准确描述任意入射贝塞尔波束电磁场分量的数学表达式；基于广义洛伦兹米理论，从理论上准确有效的求解涂层球、偏心球等规则含核粒子对贝塞尔波束的散射问题；采用基于面积分方程的矩量法及其快速算法对贝塞尔波束入射下具有任意形状和复杂内部结构的含核粒子的散射进行数值模拟。通过研究贝塞尔波束入射下系列含核粒子的散射特性，有望明确内核的数量、大小、形状以及位置对散射强度分布的影响，揭示含核粒子对无衍射波束散射的规律，从而为激光对微粒的探测、诊断以及操纵技术提供关键的理论支持和实际指导。

自然界和工业生产中遇到的许多粒子，比如诸多的生物细胞、大气中的气溶胶颗粒、水滴包裹的冰核、宇宙环境尘埃颗粒、掺杂颗粒的合成材料等，均可看作是具有核壳型结构的复合粒子,研究这类含核粒子的光散射特性具有重要的现实意义。通过观测粒子对入射光波的散射强度分布特性、偏振特性、频谱特性等，可以反演和分析粒子的形状、结构、尺寸、性质等物理特性，进而改进实验及应用进程。对于平面波和高斯激光波束入射下这类含核粒子的散射问题，国内外的众多学者已经进行了大量研究，也取得了较为丰硕的成果。近年来，贝塞尔波束作为一种无衍射激光波束，由于其所具有的“无衍射”和“自重建性”等特征，引起了众多研究者的兴趣，研究含核粒子对贝塞尔波束的散射特性亦已成为一个热点问题。本项目采用理论求解和数值模拟相结合的方法研究了含核粒子对任意入射无衍射贝塞尔波束的散射问题。通过贝塞尔波束标量解的形式和坐标系旋转理论,推导出了能够准确描述任意入射贝塞尔波束电磁场分量的数学表达式；基于广义洛伦兹米理论，从理论上准确有效的求解了涂层球、偏心球等规则含核粒子对贝塞尔波束的散射问题；采用基于面积分方程的矩量法及其快速算法对贝塞尔波束入射下具有任意形状和复杂内部结构的含核粒子的散射进行了模拟。通过研究贝塞尔波束入射下系列含核粒子的散射特性，明确了内核的数量、大小、形状以及位置对散射强度分布的影响，揭示了含核粒子对无衍射波束散射的部分规律，有望为激光对微粒的探测、诊断以及操纵技术提供关键的理论支持和实际指导。在本项目的资助下，协助培养博士研究生3名，出版专著一本，在Physics Reports、JQSRT、 JOSA A，Journal of Optics等国内外学术期刊会议上发表学术论文21篇，10篇被SCI检索。其中Physics Reports是国际物理科学类最具影响力的国际期刊之一，专门发表该领域各研究方向全球知名专家撰写的综述性论文，对相关领域的发展具有非常重要的引领和指导作用，论文发表当年度该期刊的影响因子为20.033。