[论文解读] Mie scattering theory: A review of physical features and limitations

Yuriy Akimov|ArXiv.org|Jan 8, 2024

Atmospheric Ozone and Climate被引用 6

一句话总结

本论文对米氏(Mie)理论进行详细的球谐分析，以揭示散射场的双重性质（无源与电流源）并讨论激发、界面和定位的局限性与改进。

ABSTRACT

Mie theory is the classical problem for modeling of light scattering by spherical particles. In this paper, we perform a spherical harmonic analysis of its solution for the induced fields to reveal the physics underlying the resonant behavior predicted for scattering and absorption. We disclose the two distinct groups of current-sourced and current-free scattered fields, whose interference makes light-matter interaction resonant in Mie theory for every orbital index. Being a model, the current-free scattered fields naturally limit applicability of the classical solution. We discuss those limitations and demonstrate the ways for further refinement of the theory for description of the excitation source, sphere interface and scatterer localization.

研究动机与目标

• 解释米氏散射与吸收中共振的物理起源。
• 演示无源散射场与电流源散射场之间的分裂及它们的干涉。
• 识别经典米氏理论在激发、球体界面和散射体定位方面的局限性。
• 提出改进米氏理论以更准确描述实际激发和结构的途径。

提出的方法

• 对米氏解进行球谐分析，以分离径向和角度依赖。
• 将入射场分解为球谐函数，并分析无源与电流源散射场的贡献。
• 用米氏系数 a_l 和 b_l 及其分解部分来表述散射和吸收截面。
• 引入修改后的散射系数以考虑外部激发电流和球体与环境之间的过渡层。
• 讨论行进在径向不均质介质以及跨过过渡层的阻抗/导纳表述的扩展。

实验结果

研究问题

• RQ1 米氏散射系数 a_l 和 b_l 的共振物理起源是什么？
• RQ2 无源和电流源散射场如何干涉以产生超辐射态或非辐射态？
• RQ3 经典米氏理论在描述激发源和界面方面有哪些根本局限性？
• RQ4 如何改进米氏理论以包括外部激发电流、过渡层以及径向不均质介质？
• RQ5 这些改进对计算的散射和吸收截面有何影响？

主要发现

• 米氏理论本质上混合了电流源散射场与无源散射场，它们的干涉决定了每个轨道指数 l 的共振。
• 可为每个 l 定义超辐射态与非辐射态（无辐射态、anapole），尽管具有色散的真实材料无法实现这些态的精确实现。
• 吸收和散射的极限可以通过超吸收和超辐射态来接近，且与 TM/TE 与 l 之间有特定关系。
• 为考虑外部激发电流和过渡层所做的修改会改变标准米氏系数和截面，尤其在低 l 时尤为明显。
• 过渡层或散射体的无界扩展可以通过防止与入射场湮灭来消除非物理的无源散射。