粒子的光散射

粒子的光散射是小顆粒（例如冰晶、塵埃、大氣顆粒、宇宙塵埃和血細胞）散射光導致光學現象的過程，例如天空的藍色和光暈。

馬克士威方程組是描述光散射的理論和計算方法的基礎，但由於馬克士威方程組的精確解僅對選定的粒子幾何形狀（如球形）已知，因此粒子的光散射是的一個分支，處理粒子吸收和散射電磁輻射。

對於已知解析解的幾何（例如 球面、球體簇、無限圓柱體），解通常根據無窮級數計算。對於更複雜的幾何形狀和非均勻粒子，原始麥克斯韋方程組是離散化和求解。粒子光散射的多重散射效應通過輻射傳輸技術進行處理（參見，例如）。

散射粒子的相對大小由其大小參數  定義，該參數是其特徵尺寸與其波長的比值：

 精確的計算方法 

 時域有限差分法 

時域有限差分法（FDTD）屬於基於網格的微分時域數值建模方法的一般類別。 瞬態麥克斯韋方程組（偏微分形式）使用空間和時間偏導數的中心差分近似進行離散化。得到的有限差分方程在軟體或硬體中以跳躍的方式求解：體積空間中的電場向量分量在給定的時刻求解；然後對同一空間體積下的磁場向量分量在下一個時刻求解；該過程一遍又一遍地重複，直到所需的瞬態或穩態電磁場行為完全演化。

 T型基質 

該技術也稱為零場法和擴展邊界法（EBCM）。矩陣單元是通過匹配麥克斯韋方程組解的邊界條件獲得的。入射場、透射場和散射場被擴展為球面向量波函數。

 計算近似 

 米氏近似 

任何具有任意尺寸參數的球形粒子的散射都可以用米氏理論來解釋。米氏理論，也稱為洛倫茲-米氏理論或洛倫茲-米氏-德拜理論，是球形粒子散射電磁輻射的麥克斯韋方程組的完整解析解（Bohren 和 Huffman，1998）。

對於更複雜的形狀，例如塗層球體、、橢球體和無限圓柱體，有一些擴展以無窮級數表示解。有可用於研究米氏近似的光散射代碼：球體、分層球體和多個球體的和圓柱體的。

 離散偶極子近似 

有幾種技術可以計算任意形狀的粒子對輻射的散射。離散偶極近似是有限可極化點陣列對連續介質目標的近似。這些點回應局部電場而獲得偶極矩。這些點的偶極子通過它們的電場相互作用。
有DDA代碼可用於計算DDA近似的光散射特性。

 近似方法 
近似值折射率 尺寸參數相移瑞利散射 abs(mx) 非常小（䯢）  非常小  幾何光學  非常大 非常大 abs(m-1) 非常小 x 大 復角動量 溫和 m  大 x 

 瑞利散射 
瑞利散射狀態是光或其它電磁輻射的散射，由遠小於光波長的粒子散射。   瑞利散射可以定義為小尺寸參數狀態 中的散射。


 幾何光學 （光線追蹤）

技術不僅可以通過球形粒子，還可以通過任何指定形狀和方向的粒子來近似光散射，只要粒子的大小和臨界尺寸遠大於光的波長。光可以被認為是光線的集合，其寬度遠大於波長，但與粒子本身相比卻很小。每條照射到粒子上的光線都可能發生（部分）反射和/或折射。這些光線的出射方向是用它們的全部功率計算的，或者（當涉及部分反射時）將入射功率分配給兩條（或更多）出射光線。就像透鏡和其它光學元件一樣，光線追蹤可以確定單個散射體發出的光，並將該結果統計地結合大量隨機定向和定位的散射體，可以描述大氣光學現象，例如水滴導致的彩虹和冰晶引起的光暈。有可用。

 相關條目 

離散偶極近似
時域有限差分
散射

 參考資料 
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.), ,    (pbk.)
Bohren, Craig F.  and Donald R. Huffman, Title Absorption and scattering of light by small particles,  New York : Wiley, 1998, 530 p., ,  
Hulst, H. C. van de, Light scattering by small particles, New York, Dover Publications, 1981, 470 p., .
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., .
Stratton, Julius Adams, Electromagnetic theory, New York, London, McGraw-Hill book company, inc., 1941. 615 p.

Category:光學散射，吸收和輻射轉移