Mie 二维和三维散射一些问题

孙老师和各位专家好,

FDTD application里面有2D和3D的Mie散射的例子,但是关于散射截面的计算有个问题一直很迷惑,望得到帮助。

  1. 散射/吸收截面 Csca(Cabs)=Psca(Pabs)/I0, I0为入射辐照度,但我看例子里面的分析组里对于单科颗粒,三维模型Csca=Psca/(pi*r ^2), 而二维模型则为Csca=Psca/(2r)。这样算的散射截面二维和三维情况肯定不同,那哪个准确合理些呢?

2.有很多一些情况(颗粒浓度较高)颗粒间的散射存在多重吸收,但用Mie单颗粒模型不准确,对于粒子云的建模和仿真三维内存需求太高,只能用二维模型简化,这样的话必须找到二维和三维之间合理的转化关系。自己很困惑,希望得到些指点。

A1:你可能需要进一步理解
Csca(Cabs)=Psca(Pabs)/I0, I0为入射光强度 是散射截面的定义

三维模型Csca=Psca/(pi*r ^2), 而二维模型则为Csca=Psca/(2r)
是将计算的Csca(Cabs)与几何面积(长度)归化的结果,虽然它们都用Csca;

A2:二维和三维之间没有合理的转化关系! 前者计算的是无限长的圆柱(尽管你可能画的是球体),后者是球体。
你可能应该根据随机(我假设)模型减小仿真区的尺寸。

你再研究一下。

对,像孙老师所说的,你可能没有理解2D仿真的意义,2D是3D仿真的特定简化,没有出现的第三维默认是无限延伸的,因此仿真2DMie散射的时候,实际上仿真的是无限长的纳米线的散射问题!

一般只有第三维长度无限或者相比于另外两维很大时,才使用2D仿真来减小仿真所需的资源,一般光栅、薄膜、平板等才采用2D仿真。
而对于你想要解决的粒子云散射问题的研究,只能采用3D模型,至于内存不够那就得想办法提升一下电脑的性能了。:grinning:

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非常感谢孙老师和Junyu_Li, 你们的回答让我觉得合理多了。

请参考这个帖子间它标记为已解决。

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孙老师,你好!
想咨询下关于求纳米散射粒子里的吸收截面时,如果把计算吸收截面的分析组放到TFSF光源的内部,那在计算吸收截面时,这个分析组计算的不应该是考虑入射场减掉散射场后的结果吗?这样算出来怎么会是吸收截面呢?吸收截面不应该是总的消光截面减去散射截面吗?

请参考 平面波和全场散射场tfsf光源有什么区别 -- 初学者
事实是先发生吸收,后产生散射。吸收截面就是根据吸收的功率计算的。

理论上是这个关系,但是实际上 是散射截面加吸收截面等于消光截面,关系不能搞反了,你再琢磨一下。

孙老师,你好!我的意思是在TFSF光源内部,其场为总场=入射场+散射场,为什么把scat分析组放在光源内部计算的是吸收截面呢?我不是很理解
image

外面是散射场,只有里面才是总场。总场监视器组中功率有进有出,它们的差别就是吸收。也就是说,进入的功率=出去的功率+吸收功率。分析组将进入的和出去的功率都计算出来了,结果就是吸收功率。你可以看看单个监视器的功率,注意与坐标方向相反的功率为“负”,实际应该为正。

孙老师,你好!还有以下两个问题:
Q1:分析组是根据监视器的透射率来计算cross section,如下图,是把六个监视器的透射功率相加啊,并没有你所说的做差啊?


Q2:这个单个监视器看到的功率就是透射率吧?单个监视器能够看出什么变化呢?

我前面说的实际为正,是泛泛讲的:监视器的法线方向定义为沿坐标轴正向,因此,如果能流方向沿坐标轴正向,结果就是正的,而如果能流沿坐标轴负向,因为与监视器法线方向相反,所以是负的。

就Mie散射例子而言,解释起来还是比较困难的。 我试着解释一下:
光从Z轴沿正向注入。XY方向是一样的,仅考虑X方向。X2的“功率”是负的,


说明光是被“吸”进散射体的,你看看能流密度的矢量图:

同理Y2 也是这样.

Z方向: Z2 是正的:


说明能流是流向Z正方向的.

但是,Z1的透射率稍微复杂一些.,因为它位于光源与结构之间, 它实际上记录了注入的光源功率 1 (归化后)与反射率,即T(Z1)=监视器反射率+1. 因为反射沿坐标轴负向,它是负的。
所以,Px(1,2)+Py(1,2)+Z1监视器本身反射率都是负的,Z1里面有光源1,所以是差。

Pz1怎么解释呢?我们这样想:如果散射体没有吸收,或者材料的折射率虚部是零,那么,
T(Z1)=监视器反射率+1 应该是零,所以“监视器反射率”安徽负1.
当材料的折射率虚部大于零即有吸收情况下,
T(Z1)=监视器反射率+1 小于零,因此,“监视器反射率”绝对值大于1 ,但是是负的。

因此,在散射计算时,只有Pz2和Z1监视器里面的1(光源本身)是正的,其余都是负的,因此结果是负,也就是吸收。

这就是为什么我前面建议你分别查看监视器结果的原因,希望以上解释对你有所帮助。

孙老师,你好,经disable 散射体测试出来T(Z1)如下图,并不是0,

监视器的反射率绝对值大于1不是意味着反射光的功率比入射光的功率还大吗?
在下面这篇文章里说由于侧边有吸收,没有考虑侧面的功率所以才导致归一化的T是大于1,可是在实际中TFSF并不包括从侧面入射的光啊,他只是从注入面注入光功率

此外,当enable 散射体测试出来的T(Z1)如下,并没有小于0

监视器是在总场还是散射场?总场的话,单个监视器是不准的,因为它不能TouchTFSF的边界;而在散射场是无意义的。只有BOX的结果才有一样,除非你仿真的是周期结构。

上面的计算是监视器在总场,那这样的话怎么能够得出没有吸收的时候,T(Z1)为-1的结论呢?

还有这篇文章里讲会有侧边光被吸收到粒子中,可是实际TFSF只有注入面注入光,这样的话,无论从侧面还是哪里吸收的光都是来自TFSF的,不可能会有其他地方的光进来,这样应该不会导致归一化的T是大于1的,望孙老师解答。

这个是理解的问题。你看看这个图就明白了:

请记住,如果不是周期性的物体,而仿真又使用了TFSF,是不可以准确计算透射率反射率的,因为即使监视器在总场里面,它也不能TOuch到TFSF的灰色边界,因此其宽度不能足够拾取所有的场,因此是不准的。另外一个最重要的物体:改变TFSF的横向尺寸,透射率将会变化:横向尺寸越大,透射率越大,最后透射率几乎全部接近1了。

散射仿真主要结果是各种截面,不是透射率反射率,除非是周期结构。非周期结构需要所有监视器的总结果,而不是单个监视器的结果。