Резонансное рассеяние электромагнитных волн сферическими частицами (1104657), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Оценка возможности определения параметров слоев статистического ансамбля частиц по угловым индикатрисам рассеяния.• Исследование электромагнитных резонансов газовых пузырьков в жидкости. Оценка возможности регистрации размеровпузырьков по характеристикам рассеяния.• Получение аналитических выражений электрической и магнитной дипольных поляризуемостей через парциальные амплитуды рассеяния теории Ми. Сопоставление этих выражений с квазистатическими и выявление границ применимостиподхода представления сферической частицы парой эквивалентных точечных диполей.Научная новизна работы заключается в следующем:• Установлено, что резонансные пики на зависимостях эффективности поглощения и накопленной энергии от параметра дифракции в диэлектрических шарах с низкими потерями сгруппированы в отдельные серии мод с одинаковым радиальныминдексом, причем огибающие серий имеют подобный вид.• Впервые получено аналитическое решение задачи рассеянияплоской электромагнитной волны на сферической частице с6тонким анизотропным и (или) гиротропным поверхностнымслоем.
При этом свойства слоя учитываются в граничных условиях путем введения тензора поверхностной поляризуемости.• Предложен способ определения компонент тензора поверхностной поляризуемости тонкого анизотропного поверхностного слоя сферического кварцевого микрорезонатора. Метод основан на регистрации вызванных появлением слоя измененияпараметров пары близких по частотам ТЕ и ТМ мод: сдвиговсобственных частот и изменению добротностей.• Исследовано влияние размерного эффекта, приводящего канизотропии тонкого металлического слоя, на угловые индикатрисы рассеяния металлодиэлектрических наночастиц.• Предложена модель, которая позволяет находить индикатрисы рассеяния коллоидных сред, состоящих из двухслойных наночастиц с анизотропным поверхностным слоем.
При этом возможен учет статистического распределения частиц по размерам, слоев по толщинам и анизотропии слоев, вызванной размерным эффектом проводимости.• В рамках предложенной модели решена обратная задача нахождения статистических параметров слоев (средней толщиныи дисперсии) методом минимизации функционала среднеквадратичного уклонения теоретических угловых индикатрис рассеяния от экспериментальных.• Исследованы условия представления рассеянного поля сферической частицы в виде поля двух точечных диполей. Показано, что границы применения дипольного приближения можносущественно (в 3–9 раз) расширить за пределы, установленные условием квазистационарности, при условии расчета поляризуемости с использованием формул парциальных амплитуд рассеяния теории Ми. Найдено, что для частиц с высокой диэлектрической проницаемостью дипольное представление является приближенно верным не только в дальней, но ив ближней зоне.Практическая значимость работы:Результаты работы могут быть использованы для улучшения характеристик сенсоров поверхностного слоя на основе сферических7диэлектрических микрорезонаторов, в частности для регистрациианизотропных и гиротропных слоев.Разработана методика определения статистических параметровметаллических слоев (средней толщины и дисперсии) ансамбля металлодиэлектрических наночастиц по угловым индикатрисам рассеяния.
При этом размеры частиц могут быть меньше длины волныпадающего излучения.Положения, выносимые на защиту:• Показано, что возможно определение всех компонент тензораповерхностной поляризуемости тонкого анизотропного поверхностного слоя сферического диэлектрического микрорезонатора путем регистрации вызванных появлением слоя измененийпараметров пары близких по частотам ТЕ и ТМ мод: сдвиговсобственных частот и изменению добротностей.• Индикатрисы рассеяния коллоидных сред, состоящих из покрытых тонким металлическим слоем диэлектрических наночастиц, являются физическими характеристиками, по которым возможно определение статистических параметров поверхностных слоев (средней толщины и дисперсии).• Максимальные размеры сферических частиц, при которыхсправедливо их представление парой эквивалентных точечныхдиполей, от трех до девяти раз больше (в зависимости от параметра дифракции и вещества шара), когда поляризуемостьопределена через точные формулы теории Ми, чем в случаеиспользования квазистатических выражений поляризуемости.Апробация работы и публикации:Результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской конференции “Физика и применение микроволн” (Звенигород, 2005); Международной конференции “Компьютерное моделирование электромагнитных процессов в физических, химическихи технических системах” (Воронеж, 2005); Международной конференции “Materials for Advanced Technology / Advanced Materials” (Singapore, 2005); Международной конференции “ICONO/LAT2005” (Санкт-Петербург, 2005); Всероссийской конференции “Волновые явления в неоднородных средах” (Звенигород, 2006); Всероссийской конференции “Физика и применение микроволн” (Звенигород,82007), а также на семинарах кафедры физики колебаний физического факультета МГУ.Основные результаты диссертации опубликованы в 6 тезисахконференций [A1–A6], 5 статьях [A7–A11] и одном препринте [A12].Личный вклад соискателя:Результаты, представленные в диссертации, получены лично соискателем или в соавторстве при его определяющем участии.Структура и объем диссертации:Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, спискалитературы.
Общий объем работы составляет 178 страниц, в томчисле 153 страниц текста, 39 рисунков, 4 таблицы. Библиографиясодержит 246 наименований.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении содержится описание области научных исследований, к которой относится данная работа. Кратко изложено содержание представленных в литературе работ по данному направлению и обоснована актуальность темы исследований.
Изложены целидиссертационной работы и ее наиболее важные результаты вместе сописанием их новизны и практической значимости.Первая глава является обзором литературы. В связи с широтой проблемы и из-за большого количества публикаций было признано целесообразным ограничиться освещением круга вопросов, посвященных применению сферических микро- и нано- резонаторов взадачах оптической диагностики. Такой подход позволяет не толькоограничить общее количество обозреваемых работ, но и коснутьсяпрактически всех существенных вопросов физики резонансного взаимодействия света со сферическими частицами.
Некоторые вопросы,вошедшие в данный обзор, еще не нашли достаточного освещения вобзорной литературе. Обзор разбит на три части, ниже приведеныназвания параграфов для отражения его содержания.• Диэлектрические резонаторы микронных размеров в оптическом диапазоне (§1.1.). Сенсоры поверхностного слоя (§1.1.1.).Датчики смещений и ускорений (§1.1.2.). Резонаторно9улучшенная спектроскопия (§1.1.3.). Квантовая электродинамика резонатора (§1.1.4.).• Оптические менее плотные частицы (§1.2).• Металлические наночастицы(§1.3.). Поверхностноусиленная спектроскопия (§1.3.1.). Визуализация тканей ифототермическая терапия (§1.3.2.).
Оптическая микроскопия ближнего поля (§1.3.3.). Биосенсоры на металлическихнаночастицах (§1.3.4.).Во второй главе описаны особенности резонансного возбуждения сферических частиц. При этом собраны сведения из различныхисточников, которые облегчают восприятие дальнейшего материала. Представлены классические модели, которые дополнены иллюстрациями, рассчитанными автором.
Приведены аналитические выражения оптических полей в сферических частицах, коэффициентыразложения теории Ми. Кратко описан один из методов вычисления последних, который в дальнейшем применяется в диссертации.Далее глава разделена на три раздела, соответствующих физическиразным особенностям резонансного возбуждения:• Собственные колебательные моды в прозрачных частицах(§2.1). Описаны особенности резонансного и не резонансноговозбуждения сферических частиц из диэлектрика с малымипотерями. Описано отличие мод шепчущей галереи и морфологических резонансов. Приведены численные расчеты распределения полей, соответствующие обоим случаям. Расчеты сопоставлены с экспериментальными фотографиями.• Электромагтинтые поля в оптически менее плотных частицах (§2.2). Приведена дисперсионная формула показателяпреломления воды.
Приведен расчет электромагнитного полявнутри пузырька и снаружи. Показано, что ни при каких условиях в пузырьках и вне их не наблюдаются высокие напряженности электромагнитного поля по отношению к падающейволне. Это важно для определения возможных причин эффекта сонолюминесценции [4].• Особенности рассеяния света металлическими частицами(§2.2). Описаны следующие аспекты: понятие плазмонного резонанса в наночастицах; отличие его частоты от плазмонной10частоты в объемных металлах; модель Друде-Лоренца, и ее параметры согласно различным источникам; влияние конечногоразмера наночастиц на их оптические характеристики; особенности рассеяния диэлектрических частиц, покрытых тонкимметаллическим слоем.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
