Метод расчета коэффициентов рассеяния Ми на неоднородной бианизотропной сферической частице в рамках операторной теории рассеяния

  • Андрей Викторович Новицкий Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь; Институт фотоники Технического университета Дании, ул. Эрстеда, 343, 2800, г. Конгенс Люнгбю, Дания https://orcid.org/0000-0001-9553-7318
  • Ричард Хосе Альварес Родригес Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Владимир Михайлович Галынский Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь http://orcid.org/0000-0002-9966-2105

Аннотация

Разработан метод расчета коэффициентов рассеяния Ми на неоднородных бианизотропных сферических частицах с использованием рассеянных полей и интегрального представления коэффициентов. Показано, что в рамках операторной теории рассеяния коэффициенты Ми выражаются посредством тензоров поверхностного импеданса волн в частице и окружающей среде. С помощью найденных коэффициентов Ми для неоднородной анизотропной частицы изучены условия возникновения эффекта направленного (преимущественно вперед) рассеяния электромагнитного излучения. Возможно обобщение методики на случаи многослойных и цилиндрических частиц.

Биографии авторов

Андрей Викторович Новицкий, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь; Институт фотоники Технического университета Дании, ул. Эрстеда, 343, 2800, г. Конгенс Люнгбю, Дания

доктор физико-математических наук, доцент; профессор кафедры теоретической физики и астрофизики физического факультета БГУ; старший научный сотрудник лаборатории метаматериалов Института фотоники Технического университета Дании

Ричард Хосе Альварес Родригес, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирант кафедры теоретической физики и астрофизики физического факультета. Научный руководитель – А. В. Новицкий

Владимир Михайлович Галынский, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; доцент кафедры теоретической физики и астрофизики физического факультета

Литература

  1. Bohren C. F., Huffman D. R. Absorption and scattering of light by small particles. New York : Wiley-Interscience Publications, 1983.
  2. Van de Hulst H. C. Light scattering by small particles. New York : Dover Publications, 1981.
  3. Hovenac E. A. Calculation of far-field scattering from nonspherical particles using a geometrical optics approach. Appl. Opt. 1997. Vol. 30, issue 33. P. 4739–4746. DOI: 10.1364/AO.30.004739.
  4. Yu H., Shen J., Wei W. Geometrical optics approximation for light scattering by absorbing spherical particles. J. Quantitative Spect rosc. Radiat. Transf. 2009. Vol. 110, issue 13. P. 1178–1189. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2009.03.025.
  5. Mengran Z., Qieni L., Hongxia Zh., et al. Coated sphere scattering by geometric optics approximation. J. Opt. Soc. A. 2014. Vol. 31, issue 10. P. 2160–2169. DOI: 10.1364/JOSAA.31.002160.
  6. Mie G. Beiträge zur optik trüber medien, speziell kolloidaler metallösungen. Annalen der Physik. 1908. Vol. 330, issue 3. S. 377–445. DOI: 10.1002/andp.19083300302/full.
  7. Tsang L., Kong J. A., Ding K.-H., et al. Scattering of electromagnetic waves: numerical simulations. New York : Wiley, 2000. DOI: 10.1002/0471224308.fmatter_indsub/summary.
  8. Waterman P. C. Matrix formulation of electromagnetic scattering. Proc. IEEE. 1965. Vol. 53, issue 8. P. 805–812. DOI: 10.1109/ PROC.1965.4058.
  9. Wriedt T. Using the T-matrix method for light scattering computationsby non-axisymmetric particles: superellipsoids and realistically shaped particles. Part. Part. Syst. Charact. 2002. Vol. 19, issue 4. P. 256–268. DOI: 10.1002/1521-4117(200208)19:4<256:: AID-PPSC256>3.0.CO;2-8.
  10. Mishchenko M. I., Travis L. D., Mackowski D. W. T-matrix method and its applications to electromagnetic scattering by particles: a current perspective. J. Quantitative Spectrosc. Radiat. Transf. 2010. Vol. 111, issue 11. P. 1700–1703. DOI: 10.1016/j.jqsrt. 2010.01.030.
  11. Wang J. J., Han Yi P., Wu Z. F., et al. T-matrix method for electromagnetic scattering by a general anisotropic particle. J. Quantitative Spectrosc. Radiat. Transf. 2015. Vol. 162. P. 66–76. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2014.11.009.
  12. Novitsky A. V. Matrix approach for light scattering by bianisotropic cylindrical particles. J. Phys.: Condens. Matter. 2007. Vol. 19. Article ID: 086213. DOI: 10.1088/0953-8984/19/8/086213.
  13. Novitsky A. V., Barkovsky L. M. Matrix approach for light scattering from a multilayered rotationally symmetric bianisotropic sphere. Phys. Rev. A. 2008. Vol. 77, issue 3. Article ID: 033849. DOI: 10.1103/PhysRevA.77.033849.
  14. Novitsky A., Shalin A. S., Lavrinenko A. V. Spherically symmetric inhomogeneous bianisotropic media: Wave propagation and light scattering. Phys. Rev. A. 2017. Vol. 95, issue 5. Article ID: 053818. DOI: 10.1103/PhysRevA.95.053818.
  15. Fu Y. H., Kuznetsov A. I., Miroshnichenko A. E., et al. Directional visible light scattering by silicon nanoparticles. Nat. Commun. 2013. Vol. 4. Article ID: 1527. DOI: 10.1038/ncomms2538.
  16. Rodriguez S. R. K., Arango F. B., Steinbusch T. P., et al. Breaking the symmetry of forward-backward light emission with localized and collective magnetoelectric resonances in arrays of pyramid-shaped aluminum nanoparticles. Phys. Rev. Lett. 2014. Vol. 113, issue 24. Article ID: 247401. DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.247401.
  17. Luk’yanchuk B. S., Voshchinnikov N. V., Paniagua-Domínguez R., et al. Optimum forward light scattering by spherical and spheroidal dielectric nanoparticles with high refractive index. ACS Photonics. 2015. Vol. 2, issue 7. P. 993–999. DOI: 10.1021/acsphotonics.5b00261.
  18. Wang Z., An N., Shen F., et al. Enhanced forward scattering of ellipsoidal dielectric nanoparticles. Nanoscale Res. Lett. 2017. Vol. 12:58. DOI: 10.1186/s11671-016-1794-x.
  19. Terekhov P. D., Baryshnikova K. V., Shalin A. S., et al. Resonant forward scattering of light by high-refractive-index dielectric nanoparticles with toroidal dipole contribution. Opt. Lett. 2017. Vol. 42, issue 4. P. 835–838. DOI: 10.1364/OL.42.000835.
  20. Barkovsky L. M., Furs A. N. [Operator methods of description of optical fields in complex media]. Minsk : Belorusskaya nauka, 2003 (in Russ.).
  21. Novitsky A. V., Alvarez Rodriguez R. J., Galynsky V. M. Spherical Bessel solutions of Maxwell’s equations in inhomogeneous rotationally symmetric media. J. Belarus. State Univ. Phys. 2017. No. 1. P. 52–60 (in Russ.).
  22. Kerker M., Wang D.-S., Giles C. L. Electromagnetic scattering by magnetic spheres. J. Opt. Soc. Am. 1983. Vol. 73, issue 6. P. 765–767. DOI: 10.1364/JOSA.73.000765.
  23. Geffrin J. M., García-Cámara B., Gómez-Medina R., et al. Magnetic and electric coherence in forward- and back-scattered electromagnetic waves by a single dielectric subwavelength sphere. Nat. Commun. 2012. Vol. 3. Article ID: 1171. DOI: 10.1038/ ncomms2167.
Опубликован
2018-04-30
Ключевые слова: метаматериалы, рассеяние света, коэффициенты Ми, электромагнитные волны
Поддерживающие организации Авторы благодарят Белорусский республиканский фонд фундаментальных исследований (грант № Ф16Р-049) за финансовую поддержку.
Как цитировать
Новицкий, А. В., Родригес, Р. Х. А., & Галынский, В. М. (2018). Метод расчета коэффициентов рассеяния Ми на неоднородной бианизотропной сферической частице в рамках операторной теории рассеяния. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 1, 25-32. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/557