長(zhǎng)柱狀氣溶膠粒子的光散射特性

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1、2008年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2008文章編號(hào):100124322(2008)07212092063長(zhǎng)柱狀氣溶膠粒子的光散射特性邵士勇,郝磊,黃印博,饒瑞中(中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所大氣光學(xué)中心,合肥230031)摘要:以中緯度卷云中常見(jiàn)的長(zhǎng)柱狀冰晶為例,利用長(zhǎng)柱狀粒子光散射理論,探討了入射光為線偏振時(shí),電矢量平行和垂直于入射面情況下,單個(gè)長(zhǎng)柱狀粒子的散射光強(qiáng)度分布和偏振特性隨入射角、尺度參數(shù)與偏振態(tài)的轉(zhuǎn)化關(guān)系:隨著入射角的增大,散射強(qiáng)度、偏振總體趨于對(duì)稱且數(shù)值振蕩頻率降低,散射強(qiáng)度總體減小,偏振的改變程度總體

2、增大;隨著尺度參數(shù)的增大,散射強(qiáng)度、偏振的數(shù)值振蕩頻率增大,散射強(qiáng)度數(shù)值振蕩峰的幅度整體減小,電矢量平行于粒子長(zhǎng)軸時(shí)主偏振的數(shù)量、強(qiáng)度和位置皆有變遷,電矢量垂直于粒子長(zhǎng)軸時(shí)前后主偏振位置相對(duì)固定;隨著偏振度的減小,散射強(qiáng)度、偏振趨向于一致,兩者的數(shù)值改變程度減小,當(dāng)偏振度減小到0時(shí),散射強(qiáng)度、偏振變得完全相同。選取火山塵埃和煙灰與冰晶對(duì)比,闡述了粒子散射光的強(qiáng)度分布和偏振特性隨折射率的變化規(guī)律:折射率虛部不改變散射強(qiáng)度的整體趨勢(shì),但使散射強(qiáng)度和偏振的振蕩峰幅度增大,當(dāng)其數(shù)值較大時(shí),使得偏振的數(shù)值振蕩峰覆蓋范圍拓寬。關(guān)鍵詞:大氣光學(xué);長(zhǎng)柱狀冰晶;散射強(qiáng)度;偏振態(tài)中圖分類號(hào):

3、P415.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A氣溶膠粒子散射光強(qiáng)度的空間分布包含了顆粒大小、形狀以及入射光方向的信息,同時(shí)還是入射光波長(zhǎng)以及偏振狀態(tài)的函數(shù)[1],成為研究氣溶膠粒子物理特性的重要參量。粒子的散射特性計(jì)算通?；谇蛐渭僭O(shè),應(yīng)用Mie散射來(lái)完成[2],然而除少數(shù)液態(tài)粒子外,大多數(shù)氣溶膠為非球形結(jié)構(gòu)[324]。非球形粒子的散射特性一般沒(méi)有解析解,通常借助數(shù)值解或近似解來(lái)完成。近些年,為了滿足氣象探測(cè)、氣候研究、大氣輻射和遙感等領(lǐng)域?qū)ι⑸湫畔⒌男枨?發(fā)展和改進(jìn)了多種研究非球形粒子散射特性的方法[5]。Yang和Liou運(yùn)用有限時(shí)域差分法(FDTD)求解了大氣中非球形粒子的散射和偏振性

4、質(zhì)[6]。Mishchenko改進(jìn)了Waterman提出的T矩陣方法,其結(jié)果與球形假設(shè)的偏差分析取得嚴(yán)格的數(shù)值解,有效解決了旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非極端縱橫比的規(guī)則小粒子的散射特性計(jì)算,甚至常當(dāng)作驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)[7]。Grynko運(yùn)用幾何光學(xué)近似(GOA)計(jì)算了非球形粒子散射矩陣[829],假定光線沿直線傳播,粒子散射光由幾何反射、折射以及夫瑯和費(fèi)衍射組成。上述非球形粒子的散射特性解決方法均是針對(duì)多分散體系的,原因不僅在于多分散體系更接近自然條件下的氣溶膠粒子群,還在于多分散體系擁有近似鏡像結(jié)構(gòu),使粒子的散射矩陣大為簡(jiǎn)化,從而便于運(yùn)算[7]。同單顆粒的散射相比,多分散體系的散射強(qiáng)度和偏振態(tài)隨

5、散射角的變化要平滑得多,但如果要利用散射光所含信息做粒形分類或考察體系的微觀結(jié)構(gòu),則需要顆粒散射的精細(xì)刻畫,此時(shí)單顆粒的散射特性計(jì)算結(jié)果更為實(shí)用。對(duì)于激光的高空傳輸來(lái)說(shuō),卷云是很難回避的,因此卷云冰晶粒子對(duì)激光散射特性的研究將有助于研究激光在大氣中的傳輸。中緯度卷云中的長(zhǎng)柱狀冰晶比較普遍[10],盡管長(zhǎng)柱狀粒子是氣溶膠粒子的常見(jiàn)類型之一,且其形狀只用縱橫比一個(gè)因子就可表示清楚,但單個(gè)長(zhǎng)柱狀顆粒的光散射特性與其影響因素的關(guān)系尚未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道。由于對(duì)冰晶粒子光散射特性的精確了解尚很困難,給傳輸特性的了解帶來(lái)了很大的不確定性。本文以長(zhǎng)柱狀冰晶為例,利用長(zhǎng)柱狀粒子光散射理論,對(duì)單個(gè)

6、長(zhǎng)柱狀冰晶的光散射強(qiáng)度和偏振隨入射角、尺度參數(shù)、入射光偏振態(tài)和粒子折射率的變化規(guī)律做了深入探討。1長(zhǎng)柱狀粒子光散射理論平面單色波入射到長(zhǎng)柱狀粒子上的散射模式如圖1所示,圖中α是入射角,Φ是散射角;case1和case2代表電矢量平行于入射面(TM模式,vTM=0)和垂直于入射面(TE模式,uTE=0)兩種線偏振,橢圓偏振由這兩ii種狀態(tài)疊加而來(lái)[11212]。3收稿日期:2007212206;修訂日期:2008206223基金項(xiàng)目:國(guó)家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介:邵士勇(1979—),男,博士,從事氣溶膠光學(xué)特性研究;anguangsuo@163.com。uTM6=FnJ

7、n(lr),inuTM6(2)bn1FnHn(lr),=-snvTM6(2)an1FnHn(lr),=-sn(1)vTE6=FnJn(lr),inFig.1Lightscatteringbyaprolatecylinder圖1長(zhǎng)柱狀粒子的光散射結(jié)構(gòu)vTE6(2)an2FnHn(lr),=-snuTE6(2)=-bn2FnHn(lr)sn式中:下標(biāo)i,s分別表示入射和散射;Jn(lr)和Hn(lr)分別為貝塞爾函數(shù)和第二類漢克爾函數(shù);Fn=(-i)nexp[i(ωt+n<-hz)];an,bn稱為電多極子和磁多極子,分別表示電場(chǎng)