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1、2008年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2008文章编号:100124322(2008)07212092063长柱状气溶胶粒子的光散射特性邵士勇,郝磊,黄印博,饶瑞中(中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学中心,合肥230031)摘要:以中纬度卷云中常见的长柱状冰晶为例,利用长柱状粒子光散射理论,探讨了入射光为线偏振时,电矢量平行和垂直于入射面情况下,单个长柱状粒子的散射光强度分布和偏振特性随入射角、尺度参数与偏振态的转化关系:随着入射角的增大,散射强度、偏振总体趋于对称且数值振荡频率降低,散射强度总体减小,偏振的改变程度总体
2、增大;随着尺度参数的增大,散射强度、偏振的数值振荡频率增大,散射强度数值振荡峰的幅度整体减小,电矢量平行于粒子长轴时主偏振的数量、强度和位置皆有变迁,电矢量垂直于粒子长轴时前后主偏振位置相对固定;随着偏振度的减小,散射强度、偏振趋向于一致,两者的数值改变程度减小,当偏振度减小到0时,散射强度、偏振变得完全相同。选取火山尘埃和烟灰与冰晶对比,阐述了粒子散射光的强度分布和偏振特性随折射率的变化规律:折射率虚部不改变散射强度的整体趋势,但使散射强度和偏振的振荡峰幅度增大,当其数值较大时,使得偏振的数值振荡峰覆盖范围拓宽。关键词:大气光学;长柱状冰晶;散射强度;偏振态中图分类号:
3、P415.3文献标志码:A气溶胶粒子散射光强度的空间分布包含了颗粒大小、形状以及入射光方向的信息,同时还是入射光波长以及偏振状态的函数[1],成为研究气溶胶粒子物理特性的重要参量。粒子的散射特性计算通常基于球形假设,应用Mie散射来完成[2],然而除少数液态粒子外,大多数气溶胶为非球形结构[324]。非球形粒子的散射特性一般没有解析解,通常借助数值解或近似解来完成。近些年,为了满足气象探测、气候研究、大气辐射和遥感等领域对散射信息的需求,发展和改进了多种研究非球形粒子散射特性的方法[5]。Yang和Liou运用有限时域差分法(FDTD)求解了大气中非球形粒子的散射和偏振性
4、质[6]。Mishchenko改进了Waterman提出的T矩阵方法,其结果与球形假设的偏差分析取得严格的数值解,有效解决了旋转对称非极端纵横比的规则小粒子的散射特性计算,甚至常当作验证标准[7]。Grynko运用几何光学近似(GOA)计算了非球形粒子散射矩阵[829],假定光线沿直线传播,粒子散射光由几何反射、折射以及夫琅和费衍射组成。上述非球形粒子的散射特性解决方法均是针对多分散体系的,原因不仅在于多分散体系更接近自然条件下的气溶胶粒子群,还在于多分散体系拥有近似镜像结构,使粒子的散射矩阵大为简化,从而便于运算[7]。同单颗粒的散射相比,多分散体系的散射强度和偏振态随
5、散射角的变化要平滑得多,但如果要利用散射光所含信息做粒形分类或考察体系的微观结构,则需要颗粒散射的精细刻画,此时单颗粒的散射特性计算结果更为实用。对于激光的高空传输来说,卷云是很难回避的,因此卷云冰晶粒子对激光散射特性的研究将有助于研究激光在大气中的传输。中纬度卷云中的长柱状冰晶比较普遍[10],尽管长柱状粒子是气溶胶粒子的常见类型之一,且其形状只用纵横比一个因子就可表示清楚,但单个长柱状颗粒的光散射特性与其影响因素的关系尚未见详细报道。由于对冰晶粒子光散射特性的精确了解尚很困难,给传输特性的了解带来了很大的不确定性。本文以长柱状冰晶为例,利用长柱状粒子光散射理论,对单个
6、长柱状冰晶的光散射强度和偏振随入射角、尺度参数、入射光偏振态和粒子折射率的变化规律做了深入探讨。1长柱状粒子光散射理论平面单色波入射到长柱状粒子上的散射模式如图1所示,图中α是入射角,Φ是散射角;case1和case2代表电矢量平行于入射面(TM模式,vTM=0)和垂直于入射面(TE模式,uTE=0)两种线偏振,椭圆偏振由这两ii种状态叠加而来[11212]。3收稿日期:2007212206;修订日期:2008206223基金项目:国家高技术发展计划项目作者简介:邵士勇(1979—),男,博士,从事气溶胶光学特性研究;anguangsuo@163.com。uTM6=FnJ
7、n(lr),inuTM6(2)bn1FnHn(lr),=-snvTM6(2)an1FnHn(lr),=-sn(1)vTE6=FnJn(lr),inFig.1Lightscatteringbyaprolatecylinder图1长柱状粒子的光散射结构vTE6(2)an2FnHn(lr),=-snuTE6(2)=-bn2FnHn(lr)sn式中:下标i,s分别表示入射和散射;Jn(lr)和Hn(lr)分别为贝塞尔函数和第二类汉克尔函数;Fn=(-i)nexp[i(ωt+n<-hz)];an,bn称为电多极子和磁多极子,分别表示电场
