Файл: Doicu A., Wriedt T., Eremin Y.A. Light scattering by systems of particles (OS 124, Springer, 2006.pdf

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2.4 Inhomogeneous Particles

107

on S1 and

n2 × Ei,1 = n2 × Ei,2 ,

 

n2 × Hi,1 = n2 × Hi,2 ,

(2.67)

onS2, and the Silver–M¨uller radiation condition for the scattered field (2.3).

The Stratton–Chu representation theorem for the scattered field Es in Di,

where Di = Di,1

Di,2 S2 = Di,1

D

i,2 = R3

D

s, together with the

boundary conditions (2.66), yield the general null-field equation

 

 

 

E

(r

) +

1

 

e

 

(r ) g (k

, r

, r ) dS (r )

 

 

 

(2.68)

e

1

 

 

× S1

 

i,1

1

s

1

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

+

j

 

 

 

 

 

 

h

(r ) g (k

 

 

, r

, r

) dS (r

) = 0 , r

1

D

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k0εs 1 × 1 × S1

i,1

1

s

1

1

1

 

 

i

 

while the Stratton–Chu representation theorem for the internal field Ei,1 in Ds and Di,2 together with the boundary conditions (2.67), give the general null-field equation

 

 

 

 

e

 

(r ) g (k

 

, r

, r

 

) dS (r )

 

 

 

 

 

 

 

1 ×

S1

i,1

 

1

i,1

 

1

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

h

 

(r

) g (k

 

, r

, r ) dS (r )

 

 

 

 

 

k0εi,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 × 1 ×

S1

 

i,1

 

 

1

 

 

i,1

1

1

1

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

e

 

(r ) g (k

 

 

, r

, r ) dS (r )

 

 

 

(2.69)

 

1 × S2

i,2

1

 

i,1

1

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

j

 

 

 

 

h

 

(r ) g (k

 

, r

, r ) dS (r ) = 0 , r

1

D

s

D

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k0

εi,2

1 × 1 ×

S2

 

i,2

 

 

1

 

 

i,1

1

1

1

 

i,2

 

In (2.68) and (2.69), the surface fields are the tangential components of the electromagnetic fields in Di,1 and Di,2

ei,1 = n1 × Ei,1 , hi,1 = n1 × Hi,1

on S1

and

 

ei,2 = n2 × Ei,2, hi,2 = n2 × Hi,2

on S2 ,

respectively.

Considering the general null-field equation (2.68), we use the vector spherical wave expansions of the incident field and of the dyad gI on a sphere enclosed in Di, to obtain

jks2

 

 

 

 

 

 

 

$ N

3

 

 

(ksr1) %

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

(2.70)

 

 

 

 

ei,1 (r1) ·

 

 

 

3

 

(ksr )

 

 

 

π S

 

 

M

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

$ M

3

(ksr1) %

 

 

 

$ aν %

 

µs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

+ j

 

 

 

h

i,1

(r

)

·

 

 

 

 

 

 

 

 

dS (r

) =

, ν = 1, 2, . . .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

εs

 

 

1

 

N

3

(ksr )

1

 

bν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 


108 2 Null-Field Method

For the general null-field equation (2.69) in Ds, we proceed analogously but restrict r1 to lie on a sphere enclosing Di. We then have

 

jki2,1

 

 

 

 

 

$ N

1

(ki,1r1) %

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ei,1 (r1) ·

 

 

 

 

 

 

1

 

(ki,1r )

 

π

 

 

 

S

1

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

$

 

 

 

 

 

 

ν

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

%

 

 

 

 

µi,1

 

 

 

 

 

 

M

1

 

 

(ki,1r1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

dS (r )

+ j

 

 

 

 

 

 

h

i,1

(r

)

·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

εi,1

 

 

1

 

N

1

(ki,1r )

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

1

 

 

 

jki2,1

 

 

 

 

$ N

1

(ki,1r1 ) %

 

 

 

 

 

ν

+

 

 

 

 

 

 

 

 

ei,2 (r2 ) ·

 

 

 

 

 

 

1

(ki,1r )

 

π

 

 

 

 

S

 

 

M

 

 

 

 

 

 

 

2

ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

$ M

1

 

(ki,1r1 ) %

 

 

 

µi,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

+ j

 

 

 

 

 

 

h

i,2

(r )

·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dS (r ) = 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

εi,1

 

 

2

 

N

1

(ki,1r )

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

1

 

(2.71)

ν = 1, 2, . . . ,

where the identities ei,2(r2 ) = ei,2(r1 ) and hi,2(r2 ) = hi,2(r1 ) have been used. Finally, for the general null-field equation (2.69) in Di,2, we pass from

the origin O1 to the origin O2 by taking into account that the gradient is invariant to a translation of the coordinate system, use the relations

g (ki,1, r1, r1) = g (ki,1, r2, r2) , g (ki,1, r1, r1 ) = g (ki,1, r2, r2 ) ,

and restrict r2 to lie on a sphere enclosed in Di,2. We obtain

 

jki2,1

 

 

 

 

 

$ N

3

(ki,1r2) %

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ei,1 (r1) ·

 

 

 

 

 

 

3

(ki,1r )

 

π

 

 

 

S

1

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

$

 

 

 

 

 

 

ν

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

%

 

 

 

 

µi,1

 

 

 

 

 

 

M

3

 

 

(ki,1r2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

+ j

 

 

 

 

 

 

h

i,1

(r

)

·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dS (r )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

εi,1

 

 

1

 

N

3

(ki,1r )

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

2

 

 

 

jki2,1

 

 

 

 

$ N

3

(ki,1r2 ) %

+

 

 

 

ν

 

 

 

 

 

 

 

 

ei,2 (r2 ) ·

 

 

 

 

 

 

3

 

(ki,1r )

 

π

 

 

 

 

S

 

 

M

 

 

 

 

 

 

 

 

2

ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

$ M

3

 

(ki,1r2 ) %

 

 

 

µi,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

+ j

 

 

 

 

 

 

h

i,2

(r )

·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dS (r ) = 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

εi,1

 

 

2

 

N

3

(ki,1r )

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

2

 

(2.72)

ν = 1, 2, . . . ,

where, as before, the identities ei,1(r1) = ei,1(r2) and hi,1(r1) = hi,1(r2) have been employed. The set of integral equations (2.70)–(2.72) represent the null-field equations for the scattering problem under examination.

The surface fields ei,1 and hi,1 are the tangential components of the electric and magnetic fields in the domain Di,1 bounded by the closed surfaces S1 and S2. Taking into account the completeness property of the system of regular and radiating vector spherical wave functions on two enclosing surfaces



2.4 Inhomogeneous Particles

109

(Appendix D), we approximate the surface fields ei,1 and hi,1 by the finite expansions

$ eN

(r

) %

N

 

 

 

 

n1(r1)

×

M µ1 (ki,1r1)

 

 

 

i,1

1

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= c1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hN

(r

)

j

 

εi,1

n

(r )

×

N

1 (k

i,1

r )

 

 

 

 

 

 

i,1

1

 

µ=1

 

 

 

 

 

µi,1

 

 

 

1

 

1

 

 

µ

 

 

 

 

1

 

 

 

N

 

 

n

 

(r

 

)

×

N 1

(k

r

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

µ

 

i,1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+d1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

 

 

εi,1

 

n

 

(r

)

×

M 1

 

(k

i,1

r

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µi,1

1

 

 

1

 

 

µ

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

n

(r )

×

M 3

(k

 

r

)

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

1

 

1

 

 

 

 

µ

 

i,1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+c1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

 

 

εi,1

n

 

(r

)

×

N 3 (k

 

r

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µi,1

1

 

 

1

 

 

µ

 

i,1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

(r

 

)

×

N 3

(k

r

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

1

1

 

 

 

µ

 

i,1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+d1

 

j

 

 

 

 

 

(r

)

 

M 3

 

(k

 

 

r

) . (2.73)

 

 

 

 

 

εi,1 n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µi,1

 

1

 

 

1

 

×

 

µ

 

 

i,1

 

1

 

The surface fields ei,2 and hi,2 are the tangential components of the electric and magnetic fields in the domain Di,2 and the surface fields approximations can be expressed as linear combinations of regular vector spherical wave functions:

$

eNi,2(r2 ) hNi,2(r2 )

% N

N

 

 

 

 

 

n2(r2 ) × M µ1 (ki,2r2 )

 

= c2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

εi,2

n

(r )

×

N

1 (k

i,2

r )

 

 

 

 

 

 

 

µ=1

 

 

 

 

 

 

 

µi,2

 

2

 

2

 

 

µ

 

2

 

 

 

 

n

(r )

×

N 1

 

(k

 

r )

 

 

 

N

 

 

 

 

2

2

 

 

µ

 

 

i,2

2

 

 

 

 

+d2

j

 

 

 

 

 

 

(r )

 

 

M 1

(k

 

 

r ) . (2.74)

 

 

 

εi,2 n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µi,2

2

 

 

2

 

×

 

 

µ

 

i,2

2

To express the resulting system of equations in matrix form we introduce the Qpqt (k1, k2) matrix as the Qpq (k1, k2) matrix of the surface St. The elements of the Qpqt matrix are given by (2.11)–(2.14) but with St in place of S. For example, the elements (Qpqt )11νµ read as

(Q

pq

11

 

 

jk12

n (r )

 

 

 

q

 

 

 

 

 

p

 

 

t

)

 

=

 

 

 

 

 

 

 

×

M

 

(k2r )

·

N

 

(k1r )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

νµ

 

 

π

 

 

 

St

t

 

 

µ

t

 

 

 

ν

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(k1r )" dS (r ) .

 

 

 

 

 

+

 

 

ε2

 

n (r )

×

N q

(k2r )

·

M

p

 

 

 

 

 

 

 

 

ε1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

µ

 

t

 

ν

 

t

t

Inserting (2.73) and (2.74) into (2.70), (2.71) and (2.72), using the identities (cf. (B.23), (B.24) and (B.25)),

Qpp

(k, k) = 0 ,

for p = 1 or p = 3 ,

1

 

 

Q13

(k, k) = I ,

 

1

 

 

Q311 (k, k) = −I ,


110 2 Null-Field Method

and taking into account the transformation rules

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

1

(k

i,1

r

1

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

1

(k

 

r )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

 

 

 

tr

 

 

 

 

 

µ

i,1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

(ki,1r )

=

S12

 

 

 

 

N

1

 

(ki,1r )

 

 

 

 

 

 

N

ν

µ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ

 

 

2

 

 

 

and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

3

 

 

(k

i,1

r

2

)

 

 

 

 

 

 

 

 

M

3

 

(k

r )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

 

 

 

 

rt

 

 

 

 

 

µ

 

i,1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

3

(ki,1r

)

 

=

S21

 

 

 

N

3

 

(ki,1r )

 

,

 

 

 

 

N

 

ν

µ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ

 

 

 

 

1

 

 

 

we obtain the system of matrix equations

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q131(ks, ki,1)i1 + Q133(ks, ki,1)i1 = −e ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−i1 + S12tr Q211(ki,1, ki,2)i2 = 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S21rt i1 + Q231(ki,1, ki,2)i2 = 0 ,

 

 

(2.75)

 

 

N

N

T

 

 

 

 

 

 

 

N

 

N

 

T

, i2

 

 

 

 

 

 

 

N

 

N

]

T

, and as before,

where i1 = [c1

, d1] , i1

 

= [c1, d1

]

 

 

= [c2, d2

 

e = [aν , bν ]

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

is the vector containing the expansion coe cients of the incident

field. The S12tr matrix relates the vector spherical wave functions defined with respect to the coordinate system O1x1y1z1 to those defined with respect to the coordinate system O2x2y2z2, and can be expressed as the product of a translation and a rotation matrix:

 

 

 

 

S12tr

= T

11 (ki,1r12) R (α, β, γ) ,

 

 

 

(2.76)

where T and R are defined in Appendix B. The S21rt

matrix describes the

inverse transformation and is given by

 

 

 

 

 

 

 

 

rt =

R

(

γ, β,

 

α)

T

33 ( k

r

12

)

for r

> r

12

.

(2.77)

S21

 

− −

 

i,1

 

 

1

 

 

 

Since R is a block-diagonal matrix and T is a block-symmetric matrix it follows that S12tr and S21rt are also block-symmetric matrices.

Solving the system of matrix equations gives

i1

=

Q31

(ks, ki,1) + Q33

(ks, ki,1)

tr T 2

rt 1 e ,

 

 

1

 

1

 

S12

S21

i1 = S12tr T 2S21rt i1 ,

 

 

 

 

i2

=

Q31

(ki,1, ki,2) 1

 

rt i1 ,

 

(2.78)

 

 

2

 

S21

 

 

where

T 2 = −Q112 (ki,1, ki,2) Q312 (ki,1, ki,2) 1

is the transition matrix of the inhomogeneity imbedded in a medium with relative media constants εi,1 and µi,1.