粒子的光散射

粒子的光散射是小颗粒（例如冰晶、尘埃、大气颗粒、宇宙尘埃和血细胞）散射光导致光学现象的过程，例如天空的蓝色和光晕。

马克士威方程组是描述光散射的理论和计算方法的基础，但由于马克士威方程组的精确解仅对选定的粒子几何形状（如球形）已知，因此粒子的光散射是计算电磁学的一个分支，处理粒子吸收和散射电磁辐射。

对于已知解析解的几何（例如 球面、球体簇、无限圆柱体），解通常根据无穷级数计算。对于更复杂的几何形状和非均匀粒子，原始麦克斯韦方程组是离散化和求解。粒子光散射的多重散射效应通过辐射传输技术进行处理（参见，例如大气辐射传输代码）。

散射粒子的相对大小由其大小参数 x 定义，该参数是其特征尺寸与其波长的比值：

$x={\frac {2\pi r}{\lambda }}.$

精确的计算方法

时域有限差分法

主条目：时域有限差分

时域有限差分法（FDTD）属于基于网格的微分时域数值建模方法的一般类别。 瞬态麦克斯韦方程组（偏微分形式）使用空间和时间偏导数的中心差分近似进行离散化。得到的有限差分方程在软件或硬件中以跳跃的方式求解：体积空间中的电场向量分量在给定的时刻求解；然后对同一空间体积下的磁场向量分量在下一个时刻求解；该过程一遍又一遍地重复，直到所需的瞬态或稳态电磁场行为完全演化。

T型基质

主条目：T矩阵法

该技术也称为零场法和扩展边界法（EBCM）。矩阵单元是通过匹配麦克斯韦方程组解的边界条件获得的。入射场、透射场和散射场被扩展为球面向量波函数。

计算近似

米氏近似

主条目：米氏散射

任何具有任意尺寸参数的球形粒子的散射都可以用米氏理论来解释。米氏理论，也称为洛伦兹-米氏理论或洛伦兹-米氏-德拜理论，是球形粒子散射电磁辐射的麦克斯韦方程组的完整解析解（Bohren 和 Huffman，1998）。

对于更复杂的形状，例如涂层球体、多球体、椭球体和无限圆柱体，有一些扩展以无穷级数表示解。有可用于研究米氏近似的光散射代码：球体、分层球体和多个球体的球体电磁散射代码和圆柱体的圆柱体电磁散射代码。

离散偶极子近似

主条目：离散偶极子近似

有几种技术可以计算任意形状的粒子对辐射的散射。离散偶极近似是有限可极化点阵列对连续介质目标的近似。这些点回应局部电场而获得偶极矩。这些点的偶极子通过它们的电场相互作用。 有DDA代码可用于计算DDA近似的光散射特性。

近似方法

近似值	折射率	尺寸参数	相移
瑞利散射	abs(mx) 非常小（䯢）	非常小
几何光学		非常大	非常大
反常衍射理论	abs(m-1) 非常小	x 大
复角动量	温和 m	大 x

瑞利散射

瑞利散射状态是光或其它电磁辐射的散射，由远小于光波长的粒子散射。 瑞利散射可以定义为小尺寸参数状态$x\ll 1$ 中的散射。

光线从一个方向（通常是来自太阳的光束）进入雨滴，从雨滴的背面反射，并在离开雨滴时呈扇形散开。离开雨滴的光以广角分布，最大强度为40.89-42°。

几何光学 （光线追踪）

主条目：几何光学

光线追踪技术不仅可以通过球形粒子，还可以通过任何指定形状和方向的粒子来近似光散射，只要粒子的大小和临界尺寸远大于光的波长。光可以被认为是光线的集合，其宽度远大于波长，但与粒子本身相比却很小。每条照射到粒子上的光线都可能发生（部分）反射和/或折射。这些光线的出射方向是用它们的全部功率计算的，或者（当涉及部分反射时）将入射功率分配给两条（或更多）出射光线。就像透镜和其它光学元件一样，光线追踪可以确定单个散射体发出的光，并将该结果统计地结合大量随机定向和定位的散射体，可以描述大气光学现象，例如水滴导致的彩虹和冰晶引起的光晕。有大气光学光线追踪代码可用。

相关条目

• 球体电磁散射代码
• 圆柱体电磁散射代码
• 离散偶极近似
• 时域有限差分
• 散射

参考资料

• Barber,P.W. and S.C. Hill, Light scattering by particles : computational methods, Singapore ; Teaneck, N.J., World Scientific, c1990, 261 p.+ 2 computer disks (3½ in.), ISBN 9971-5-0813-3, ISBN 9971-5-0832-X (pbk.)
• Bohren, Craig F. and Donald R. Huffman, Title Absorption and scattering of light by small particles, New York : Wiley, 1998, 530 p., ISBN 0-471-29340-7, ISBN 978-0-471-29340-8
• Hulst, H. C. van de, Light scattering by small particles, New York, Dover Publications, 1981, 470 p., ISBN 0-486-64228-3.
• Kerker, Milton, The scattering of light, and other electromagnetic radiation, New York, Academic Press, 1969, 666 p.
• Mishchenko, Michael I., Joop W. Hovenier, Larry D. Travis, Light scattering by nonspherical particles: theory, measurements, and applications, San Diego : Academic Press, 2000, 690 p., ISBN 0-12-498660-9.
• Stratton, Julius Adams, Electromagnetic theory, New York, London, McGraw-Hill book company, inc., 1941. 615 p.