平面波理论论文.doc

平面波理论心得 经过这段时间的学习，我对于平面波的理解更加深刻了，平面波的基本理论包括以下几个方面，1平面波的极化特性2平面边界上的反射和折射3多层介质中的平面波4各向异性介质中的平面波5手征介质中的平面波 这些我们的高等电磁学书上都有着详细的说明，而且现在很多关于平面波的研究与应用都是基于这些理论基础展开的，我也读了一偏关于研究了导体椭圆柱涂覆均匀各向异性介质材料对垂直入射平面波的散射特性。正好切合我们的各向异性介质中的平面波传播的理论基础。课题来源于国家自然科学基金项目，主要研究均匀各向异性介质椭圆柱体、导体椭圆柱涂覆各向异性介质以及椭圆波导等情形对平面波的电磁(光)散射及其相关特性。各向异性现象在自然界广泛存在，许多物质呈现出各向异性特性，例如：围绕在地球上方的电离层，许多有机、无机生物等物质。除了自然界存在的这些物质外，还有许多人工合成的各向异性材料，如光学信号处理中的信号元件等。各向异性材料能够影响目标或散射体的雷达散射截面，因此被广泛应用于雷达天线屏蔽器、光纤、某些型号的雷达吸收器、微波传输带天线中的基带等诸多方面。在国防关键技术中，各向异性等离子体材料经常被应用于目标的隐身技术。作为一种重要的各向异性材料，铁氧体材料在微波和毫米波器件诸如环形器、绝缘体、开关和移相器等产品中被广泛使用，其材料特性随着外加磁场的场强和方向变化。鉴于这一独特性质，铁氧体材料在天线技术上也被大量采用。随着各向异性材料在集成光学、微波工程、毫米波技术，复合材料，遥感和装甲技术等领域中广泛的应用，电磁(光)波与各向异性体间的相互作用引起了越来越多的专家和科研学者的关注。我们所处的世界是由宏观世界和微观世界组成的。宏观世界和微观世界密不可分。大地、海洋、地球、太阳乃至整个银河系等都属于宏观世界的范畴。与之对应的则是尺寸小得多的粒子也就是微观世界范畴，例如：自然界中存在的气溶胶粒子、宇宙环境中的尘埃颗粒、生物医学中的细菌、原子分子等等，这些粒子尺寸大都在纳米量级。正是无数的这样的小粒子构成了一个有机和无机的物质世界。理解小粒子的电磁(光)散射特性对于分析粒子的尺寸、形状、结构和性质具有重要意义，因此小粒子对电磁(光)波的散射问题一直以来为众多学者所关注。为了研究问题的方便，处理实际情况时经常采用一些简化模型来替代粒子的真实结构。例如将粒子简化为球形、椭圆形、圆柱形、椭圆柱形等等。许多学者对这类规则粒子做了大量的工作并且取得了重要宝贵的成果。这些形状规则的粒子的散射特性可通过在正交坐标系下，利用分离变量法离散亥姆霍兹方程的各坐标分量，求解各坐标分量的解析解而获得。解析法物理意义明确，结果真实可靠，缺点是要求的条件较高，加上很多粒子并不是形状规则体，所以并非所有的粒子都可以利用解析法解出。因此，许多学者通过努力总结了许多数值计算方法，例如矩量法(MOM)，离散偶极子近似(DDA)，广义多级子技术(GMT)，反常衍射方法(AD)，时域有限差分方法(FDTD)，有限元法(FEM)，T矩阵方法(TMM)，几何光学射线追踪、积分方程法以及扩展边界条件法等。在分析粒子的电磁散射时，每一种方法都有其优缺点，如分离变量法主要用于精确解析求解形状十分规则的粒子，如球形，圆柱性，椭球形，椭圆柱形粒子等，而微扰法局限于粒子几何形状偏离球形情形，T矩阵方法则提供了一种采用较少但又普遍的计算步骤数值求解问题的方法等。在众多学者的共同努力下，这些计算方法都得到了迅速的发展和应用。2国内外研究概况121粒子散射类型分类小粒子的散射类型存在多种方式。例如，按入射波类型分为平面波和波束；按粒子的尺寸而言可分为瑞利区粒子、光学区粒子以及谐振区粒子；按粒子性质来讲分为各向同性粒子和各向异性粒子；按研究方法而言分为解析法、数值法和近似法等：按粒子形状来可分为球形、圆柱形粒子、类球形、类柱形等。具体方式如图11所示。用不同的表达方法导出了均匀介质球对平面电磁波散射的解析表达式，即均匀介质球形粒子对平面电磁波的散射理论，后被称为L0reIlzMie理论。然而受到当时计算水平和技术的限制，该理论在随后的近半世纪内几乎没有得到进一步发展。20世纪50、60年代期间，伴随着计算机科学技术的发展，许多学者重新对该理论进行了详细的讨论和分析，各种不同的数值算法以及相应的数值结果随即相继问世。均匀介质球对平面波散射的基础上，Aden和Kerker两位学剖3l进一步导出了均匀同心涂层球形粒子对平面波的电磁散射公式，并计算讨论了部分数值结果。在此基础上，学者Kerk研究了多层球的电磁散射，并获得了计算散射系数的矩阵公式。Albini等学者分别采用Bom近似和Rayleigh-G锄近似方法分析了非均匀球的光散射，并推导了雷达散射截面的计算公式。在许多学者研究的基础上，Toon等学者提出了一种计算多层球形粒子散射的理论方法。学者黜chmond分别利用Mie级数和几何光学、物理光学等方法导出了导体球涂覆均匀各向同性介质的雷达散射截面。在国内，吴振森教授等采用Bom近似研究了双层介质球的散射，并给出了计算多层电大尺寸同心球对平面波电磁散射的收敛与迭代算法，提高了数值计算的效率。孙文波等人采用FDTD方法和解析法研究了吸收环境中涂层球的光散射。李仁先等学者研究了多层球对平面波的光散射并分析了多层球的彩虹现象。多层球方面，耿友林等学者采用傅里叶变换和矢量球谐函数导出了单轴些各向异性球以及铁氧体球，多层等离子球等对平面波散射的解析解。还有学者推导了多层椭球对平面波散射的递推公式；Qiu等学者采用了修J下的矢量波函数以及并矢格林函数研究了多层各向异性介质球的散射和辐射问题。球形粒子对波束的散射。随着激光技术的不断发展和应用，激光波束与粒子之间的相互作用在粒子分析、光镊、大气遥感、空间探测以及生物医学等领域占有越来越重要的地位。激光光源都是以波束形式作为载体，因此研究粒子对波束的散射特性对于激光在上述研究领域中的应用意义重大。相对于平面波，波束表述形式要复杂得多。如何准确的描述波束显得尤为重要，许多学者在这方面做了大量的工作和尝试。1979年学者Dire导出了满足麦克斯韦方程组的高斯波束的一阶及高阶近似，这一成果标志着粒子对波束的散射研究进入了一个崭新的阶段。G0uesbet和Grch等学者在DaVis研究基础上，利用Bromwich公式深入分析了均匀球对波束的远区散射，并提出了著名的广义米氏理论(GLMT)，获得了球和圆柱坐标系中离轴和在轴高斯波束波形因子的表达式，以及积分法、有限级数法、区域近似法等三种波束因子的求解方法。随后，多篇文献利用该算法分析了球形粒子对高斯波束的散射特性以及波束参数对散射场的影响。 学习心得经过了课程的学习,我对于知识的理解更加充分了,还有课堂上的很多前沿的科技也让我耳目一新，感受到到了电磁学在生活军事上的应用是如此的广泛和重要，也更加让我对电磁场的学习产生了兴趣，但是由于本人能力有限现在还未能完全掌握，但是我相信我以后会慢慢的将其弄懂，在这我要感谢喻老师给我们这学期的学习中的指导，而且这门课程的作业也真的做到了让我们实践与理论相结合的功效，让我们锻炼了编程能力和分析问题的能力，喻老师不断地在教学中启发我们创新，也让我在潜意识中种下了创新的种子，我觉得这是这门学科中给我带来的不同于其他课程的收获，我也明白了思想有多远就能走多远的道理。老师的授课方式跟其他老师很不一样，切入点也要新颖的很多，他注重于我们对于问题独立思考的能力培养，以及对于外国文献的搜选了阅读，还有我们编程动手能力的锻炼，这些都是我们以后