离散偶极近似

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离散偶极近似(DDA),也称为耦合偶极子近似,是一种计算任意形状粒子和周期性结构的辐射散射的方法。给定任意几何形状的目标,人们试图通过有限阵列的小可极化偶极子对连续目标的近似来计算其散射和吸收特性。该技术用于各种应用,包括纳米光子学、雷达散射、气溶胶物理学和天体物理学。 DDA的基本思想由DeVoe于1964年提出,他将其应用于研究分子聚集体的光学性质;不包括延迟效应,因此DeVoe的处理仅限于与...

离散偶极近似

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离散偶极近似 (DDA),也称为耦合偶极子近似,是一种计算任意形状粒子和周期性结构的辐射散射的方法。 给定任意几何形状的目标,人们试图通过有限阵列的小可极化偶极子对连续目标的近似来计算其散射和吸收特性。 该技术用于各种应用,包括纳米光子学雷达散射、气溶胶物理学和天体物理学。

基本概念

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DDA 的基本思想由 DeVoe 于 1964 年提出,他将其应用于研究分子集体光学性质; 不包括延迟效应,因此 DeVoe 的处理仅限于与波长相比较小的聚集体。 DDA,包括延迟效应,于 1973 年由 Purcell 和 Pennypacker 提出,他们用它来研究星际尘埃颗粒。 简单地说,DDA 是有限极化点阵列对连续目标的近似。 这些点响应于局部电场而获得偶极矩。 偶极子通过它们的电场相互作用,因此 DDA 有时也称为耦合偶极子近似。

大自然为 DDA 提供了物理灵感 - 1909 年,洛伦兹表明物质的介电特性可能与构成它的单个原子的极化率直接相关,具有特别简单和精确的关系,即 Clausius-Mossotti 关系( 或 Lorentz-Lorenz),当原子位于立方晶格上时。 我们可以预期,正如固体的连续体表示适用于比原子间距大的长度尺度,极化点阵列可以准确地近似连续体目标在比原子间距大的长度尺度上的响应。 偶极间分离。

对于点偶极子的有限阵列,散射问题可以精确求解,因此 DDA 中存在的xxx近似是用 N 点偶极子阵列替换连续目标。 替换需要指定几何形状(偶极子的位置)和偶极子极化率。 对于单色入射波,可以找到振荡偶极矩的自洽解; 从这些计算吸收和散射截面。 如果获得入射波的两个独立偏振的 DDA 解,则可以确定完整的振幅散射矩阵。或者,DDA 可以从电场的体积积分方程导出。 这突出表明点偶极子的近似等同于积分方程的离散化,因此随着偶极子尺寸的减小而减小。

认识到极化率可能是张量,DDA 可以很容易地应用于各向异性材料。 将 DDA 扩展到处理具有非零磁化率的材料也很简单,尽管对于大多数应用来说磁效应可以忽略不计。

扩展

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该方法由 Draine、Flatau 和 Goodman 改进,他们应用快速傅立叶变换来计算 DDA 中出现的卷积问题,从而允许计算大目标的散射。 他们分发了离散偶极子近似开源代码 DDSCAT。现在有几个 DDA 实现,对周期性目标的扩展以及放置在平面基板上或附近的粒子。 并发表了与精确技术的比较。发表了其他方面,例如离散偶极子近似的有效性标准。 DDA 还扩展到使用矩形或长方体偶极子,这对于高度扁圆形或扁长形粒子更有效。

离散偶极近似代码

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现有代码有评论和已发表的比较。大多数代码适用于自由空间或均匀介电主体介质中的任意形状的非均匀非磁性粒子和粒子系统。 计算量通常包括 Mueller 矩阵、积分截面(消光、吸收和散射)、内部场和角分辨散射场(相函数)。

离散偶极近似

通用开源DDA代码

这些代码通常使用规则网格(立方体或长方体)、共轭梯度法求解大型线性方程组,以及使用卷积定理的矩阵向量积的 FFT 加速。 这种方法的复杂性几乎与时间和内存的偶极子数量呈线性关系。

专用 DDA 代码

这些列表包括不符合上一节要求的代码。 原因可能包括以下:源代码不可用,FFT 加速不存在或减少,代码侧重于特定应用,不允许轻松计算标准散射量。

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词条目录
  1. 离散偶极近似
  2. 基本概念
  3. 扩展
  4. 离散偶极近似代码
  5. 通用开源DDA代码
  6. 专用 DDA 代码

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