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 |
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|
|
|
× 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 |
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|
n1 × Ei,1 − n1 × Es = n1 × Ee , |
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|
n1 × Hi,1 − n1 × Hs = n1 × He |
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(2.127) |
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on S1 and |
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|
n2 × Ei,2 − n2 × Es = n2 × Ee , |
|
|
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|
n2 × Hi,2 − n2 × Hs = n2 × He |
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|
(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
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|
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) = a1,ν M 1ν (ksr1) + b1,ν N 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
$ %
a1,ν b1,ν
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jks2 |
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$ N |
3 |
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(ksr ) % |
|||||||||||||||||
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ν |
|||||||||||||||||||||
= − |
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ee (r ) |
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3 |
(ksr ) |
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|||||||||
π |
S |
M |
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||||||||||||||||||||||
|
$ |
ν |
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||||||||||||||||||||||
|
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% |
|||||
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µs |
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M |
3 |
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(ksr ) |
|
||||||||||||
|
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ν |
dS (r ) , |
|||||||||||||||||
|
+ j |
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he (r ) |
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3 |
(ksr ) |
||||||||||||||||||
|
εs |
|
N |
||||||||||||||||||||||
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|
|
||||||||||||||
|
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|
|
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|
ν |
|
|
|
||||||||||
= |
|
jks2 |
e |
(r |
) $ N |
3 |
|
(ksr1) % |
|||||||||||||||||
− |
ν |
||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||
|
π |
S |
e |
1 |
|
M |
3 |
|
(ksr |
) |
|||||||||||||||
|
|
|
|
ν |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
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|
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|
|
1 |
|
$%
|
|
|
|
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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 |
|
|
|
|
|
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µ |
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|
||
where |
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|
|
||
S10rt = R (−γ1, −β1, −α1) T 33 |
(−ksr01) , |
for |
r > r01 |
||||||||||||||||
and taking into account that S10rt is a block-symmetric matrix, yields |
|||||||||||||||||||
|
|
|
a1,ν |
= S10rt |
|
|
|
|
|
aµ |
|
(2.129) |
|||||||
|
|
|
b1,ν |
|
|
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 |
|
$%
|
|
|
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M |
3 |
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(ksr1) |
|
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|||||||||||
µs |
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|||||||||||||||||
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ν |
dS (r |
|
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|||||||||||||||||
+ j |
|
|
h |
(r |
) |
· |
|
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) |
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|||||
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|||||||||||
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|
|
εs |
|
i,1 |
|
1 |
|
|
|
N |
3 |
(ksr ) |
1 |
|
|
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|||||||||||
|
|
|
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|
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|
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|
ν |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
1 |
|
|
|
|
|
|||||||||||
+ |
jks2 |
|
|
e |
|
(r ) |
|
$ N |
3 |
(ksr1 ) % |
|
|
|
(2.130) |
||||||||||||||||
|
i,2 |
· |
ν |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
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|
||||||||||||
|
π |
S |
2 |
|
|
2 |
|
M |
3 |
(ksr ) |
|
|
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||||||||||||||||
|
|
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||||||||||||||||||||
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ν |
1 |
|
|
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|
||||
|
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$ M |
3 |
|
(ksr1 ) % |
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|
$ a1,ν |
% |
|||||||||||||||
|
|
µs |
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|
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|
||||||||||||||||||||
|
|
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|
ν |
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|||||||||||||||||||||
+ j |
|
|
h |
(r ) |
· |
|
|
|
|
|
|
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|
dS (r ) = |
− |
|
, ν = 1, 2, ... , |
||||||
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|
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|||||||||||||
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|
εs |
|
i,2 |
|
2 |
|
|
|
N |
3 |
|
(ksr ) |
2 |
b1,ν |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
ν |
|
|
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|||||||||||||||
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|
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|
1 |
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|
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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 |
|
|
|
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|
|
$ 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 ) |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
ν |
2 |
||||
|
|
|
|
|
$ M |
3 |
|
(ksr2 ) % |
|||||||||||||||||||
|
|
µs |
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
ν |
|||||||||||||||||||||||
+ j |
|
|
|
hi,2 |
(r2 ) · |
|
|
3 |
|
|
(ksr ) |
dS |
|||||||||||||||
|
|
εs |
|
N |
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ν |
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
(r1)
(2.131)
$%
(r ) = |
− |
a2,ν |
, ν = 1, 2, ... , |
2 |
b2,ν |
|
where, as before, we have taken into account that ei,1(r1) = ei,1(r2) and
hi,1(r1) = hi,1(r2).
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,µ |
j |
µ=1 |
− |
|
|
+dN
1,µ −j
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 c2,µ −j |
||
+d2N,µ |
|
|
|
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 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
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|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
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|
|
M |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M |
1 |
(k |
r |
|
) |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
ν |
(ksr2) |
|
|
|
|
rtr |
|
|
|
|
|
|
µ |
s |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
21 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
N |
|
(ksr |
|
) |
|
|
|
|
|
ν |
µ |
|
|
|
N |
(ksr |
) |
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ν |
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2 |
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µ |
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1 |
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with |
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S |
rtr = |
( |
γ , |
− |
β , |
− |
α ) |
T |
31 ( |
− |
k r |
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|
) |
R |
(α , β , γ ) |
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for |
r |
< r |
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, |
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R − |
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2 |
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2 |
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2 |
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s 12 |
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1 1 1 |
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1 |
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12 |
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21 |
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and taking into account the transformation rule for the incident field coe - cients (2.129), yields the system of matrix equations
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31 |
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S |
rtr |
11 |
(ks, ki,2)i2 = |
−S |
rt |
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Q2 |
10e , |
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|||
Q1 (ks, ki,1)i1 + 12 |
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|||||||
S |
rtr |
11 |
|
|
31 |
|
−S |
rt |
|
|
Q1 |
(ks, ki,1)i1 + Q2 |
(ks, ki,2)i2 = |
20e , |
(2.134) |
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21 |
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