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

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2.6 Multiple Particles

125

and Ei,2, Hi,2 satisfying the Maxwell equations

 

 

 

× Es = jk0µsHs ,

× Hs = jk0εsEs in

Ds ,

 

(2.124)

× Ei,1 = jk0µi,1Hi,1 ,

× Hi,1 = jk0εi,1Ei,1

in

Di,1 ,

(2.125)

and

 

 

 

 

× Ei,2 = jk0µi,2Hi,2 , quad × Hi,2 = jk0εi,2Ei,2

in

Di,2 ,

(2.126)

the boundary conditions

 

 

 

 

n1 × Ei,1 − n1 × Es = n1 × Ee ,

 

 

 

n1 × Hi,1 − n1 × Hs = n1 × He

 

 

(2.127)

on S1 and

 

 

 

 

n2 × Ei,2 − n2 × Es = n2 × Ee ,

 

 

 

n2 × Hi,2 − n2 × Hs = n2 × He

 

 

(2.128)

on S2, 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,1 and Di,2 together with the boundary conditions (2.127) and (2.128) yield the general null-field equation

 

 

 

Ee(r) + × S1 ei,1 (r ) g (ks, r, r ) dS (r )

+

j

 

 

× × S1 hi,1 (r ) g (ks, r, r ) dS (r )

k0εs

 

 

 

+ × S2 ei,2 (r ) g (ks, r, r ) dS (r )

+

j

 

 

× × S2 hi,2 (r ) g (ks, r, r ) dS (r ) = 0 , r Di,1 Di,2 .

k0εs

Before we derive the null-field equations, we seek to find a relation between the expansion coe cients of the incident field in the global coordinate system

Oxyz,

Ee(r) = aν M 1ν (ksr) + bν N 1ν (ksr)

ν

and the expansion coe cients of the incident field in the particle coordinate system O1x1y1z1,

Ee (r1) = a1M 1ν (ksr1) + b1N 1ν (ksr1) .

ν


126 2 Null-Field Method

M

r1

 

r

 

 

S

O1

r01

Ds

O

Fig. 2.6. Auxiliary surface S

For this purpose we choose a su ciently large auxiliary surface S enclosing O and O1 (Fig. 2.6) and in each coordinate system we use the Stratton–Chu representation theorem for the incident field in the interior of S. We obtain

$ %

aν bν

and

$ %

a1b1

 

 

jks2

 

 

$ N

3

 

(ksr ) %

 

 

 

 

ν

=

 

 

 

 

 

 

ee (r )

 

 

 

 

 

 

3

(ksr )

 

π

S

M

 

 

$

ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

%

 

 

 

 

µs

 

 

 

 

M

3

 

(ksr )

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

dS (r ) ,

 

+ j

 

he (r )

 

 

3

(ksr )

 

εs

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

=

 

jks2

e

(r

) $ N

3

 

(ksr1) %

ν

 

 

π

S

e

1

 

M

3

 

(ksr

)

 

 

 

 

ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

$%

 

 

 

 

 

M

3

 

(ksr1)

µs

 

 

 

 

ν

+ j

 

 

he (r1)

 

3

 

 

dS (r1) ,

 

 

 

 

 

 

 

εs

 

 

N

 

(ksr1

)

 

 

 

 

ν

respectively. Using the addition theorem for radiating vector spherical wave functions

M

3

(k r

1

)

 

 

 

 

 

 

 

 

M

3

(k

r )

 

 

ν

s

 

rt

 

 

µ

s

 

 

 

3

(ksr )

=

S10

 

 

 

 

 

 

 

N

3

(ksr )

,

N

ν

µ

 

 

 

ν

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ

 

 

 

where

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S10rt = R (−γ1, −β1, −α1) T 33

(−ksr01) ,

for

r > r01

and taking into account that S10rt is a block-symmetric matrix, yields

 

 

 

a1

= S10rt

 

 

 

 

 

aµ

 

(2.129)

 

 

 

b1

 

 

bµ

 

.

 

 

 

 

ν

µ

 

 


2.6 Multiple Particles

127

The condition r > r01 can always be satisfied in practice by an appropriate choice of the auxiliary surface S, whence, using the identity T 33(−ksr01) = T 11(−ksr01), we see that

S10rt = R (−γ1, −β1, −α1) T 11 (−ksr01) .

We proceed now to derive the set of null-field equations. Passing from the origin O to the origin O1, using the relations

g (ks, r, r ) = g (ks, r1, r1) , g (ks, r, r ) = g (ks, r1, r1 ) ,

and restricting r1 to lie on a sphere enclosed in Di,1, gives

jks2

 

 

 

$ N

3

(ksr1) %

 

ei,1 (r1) ·

ν

π

 

S

 

M

3

 

(ksr

)

1

ν

 

 

 

 

 

 

 

1

 

$%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

3

 

 

(ksr1)

 

 

 

 

 

µs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

dS (r

 

 

 

 

+ j

 

 

h

(r

)

·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

εs

 

i,1

 

1

 

 

 

N

3

(ksr )

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

+

jks2

 

 

e

 

(r )

 

$ N

3

(ksr1 ) %

 

 

 

(2.130)

 

i,2

·

ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

S

2

 

 

2

 

M

3

(ksr )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

$ M

3

 

(ksr1 ) %

 

 

$ a1

%

 

 

µs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

+ j

 

 

h

(r )

·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dS (r ) =

 

, ν = 1, 2, ... ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

εs

 

i,2

 

2

 

 

 

N

3

 

(ksr )

2

b1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

where the identities ei,2(r2 ) = ei,2(r1 ) and hi,2(r2 ) = hi,2(r1 ) have been used. For the general null-field equation in Di,2 we proceed analogously but restrict r2 to lie on a sphere enclosed in Di,2. We obtain

jks2

 

 

 

 

 

 

$ N

3

 

 

 

(ksr2) %

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

 

ei,1 (r1) ·

 

 

3

 

 

(ksr )

 

π S

1

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

2

 

 

 

 

 

 

$ M

3

 

 

(ksr2) %

µs

 

 

 

 

 

 

ν

+ j

 

 

 

hi,1

(r1) ·

 

 

3

 

(ksr )

dS

 

 

εs

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

+

jks2

 

e

 

(r )

 

$ N

3

(ksr2 ) %

i,2

·

ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

S

2

2

 

 

M

3

(ksr )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

2

 

 

 

 

 

$ M

3

 

(ksr2 ) %

 

 

µs

 

 

 

 

 

 

 

ν

+ j

 

 

 

hi,2

(r2 ) ·

 

 

3

 

 

(ksr )

dS

 

 

εs

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

(r1)

(2.131)

$%

(r ) =

a2

, ν = 1, 2, ... ,

2

b2

 

where, as before, we have taken into account that ei,1(r1) = ei,1(r2) and

hi,1(r1) = hi,1(r2).


µi,1

128 2 Null-Field Method

The surface fields ei,1, hi,1 and ei,2, hi,2 are the tangential components of the electric and magnetic fields in the domains Di,1 and Di,2, respectively, and the surface fields approximations can be expressed as linear combinations of regular vector spherical wave functions,

$

eNi,1(r1) hNi,1(r1)

 

 

% N

 

= c1N

j

µ=1

 

 

+dN

1j

n1(r1) × M 1µ(ki,1r1)

εi,1 n1(r1) × N 1µ(ki,1r1)

n1(r1) × N 1µ(ki,1r1)

 

 

 

 

(r

)

 

M 1 (k

 

r

) (2.132)

 

εi,1 n

×

 

 

µi,1

1

1

 

µ

i,1

1

 

and

$

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

% N

 

 

 

 

N

 

= µ=1 c2j

+d2N

 

 

 

j

 

 

 

 

n2(r2 ) × M µ1 (ki,2r2 )

 

 

 

 

 

εi,2

 

n

(r )

×

N

1 (k

i,2

r )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µi,2

2

2

 

µ

 

2

n2(r2 ) × N µ1 (ki,2r2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

(r )

 

M 1

(k

 

 

r ) . (2.133)

 

 

εi,2 n

×

 

 

 

 

µi,2

2

 

2

 

µ

 

i,2

2

Inserting (2.132) and (2.133) into (2.130) and (2.131), using the addition theorem for vector spherical wave functions

 

 

 

 

 

 

M

3

 

(ksr1 )

 

 

 

 

rtr

 

 

 

M

1

(k r

2

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

3

 

(ksr )

 

=

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

N

1

(ksr )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

µ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ

 

 

2

 

 

 

 

 

with

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rtr =

(

 

γ

,

 

β ,

 

 

α )

 

31 (k

s

r

12

)

 

 

 

 

(α

, β , γ ) ,

 

 

for

r

< r

 

,

12

R −

1

 

 

1

 

 

1

T

 

 

 

 

 

R

 

 

2

 

2 2

 

 

 

 

 

2

12

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

1

(k

r

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

(ksr2)

 

 

 

 

rtr

 

 

 

 

 

 

µ

s

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

(ksr

 

)

 

 

 

 

 

ν

µ

 

 

 

N

(ksr

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

with

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

rtr =

(

γ ,

β ,

α )

T

31 (

k r

 

 

)

R

(α , β , γ )

 

 

for

r

< r

 

,

 

 

R −

 

2

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

s 12

 

 

 

1 1 1

 

 

 

 

1

 

12

 

21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

and taking into account the transformation rule for the incident field coe - cients (2.129), yields the system of matrix equations

 

31

 

S

rtr

11

(ks, ki,2)i2 =

−S

rt

 

 

 

 

 

Q2

10e ,

 

Q1 (ks, ki,1)i1 + 12

 

 

S

rtr

11

 

 

31

 

−S

rt

 

 

Q1

(ks, ki,1)i1 + Q2

(ks, ki,2)i2 =

20e ,

(2.134)

21