【摘 要】
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带电体普遍存在于等离子体环境和电解质溶液环境中。通过与背景环境介质交换电子或离子,带电体将带有一定数量的残余电荷。带电体的残余电荷量既决定了带电体之间的平衡关系,也能控制带电体与外来的电磁辐射之间的耦合关系。因此,研究带电散射体的电磁散射性质成为了当前科学领域的重要问题。现有的研究假设残余电荷被束缚于带电体的表面上,进而在电磁场边界条件中引入残余表面电荷导致的表面电导率这一唯象参数,以此求解带电体
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带电体普遍存在于等离子体环境和电解质溶液环境中。通过与背景环境介质交换电子或离子,带电体将带有一定数量的残余电荷。带电体的残余电荷量既决定了带电体之间的平衡关系,也能控制带电体与外来的电磁辐射之间的耦合关系。因此,研究带电散射体的电磁散射性质成为了当前科学领域的重要问题。现有的研究假设残余电荷被束缚于带电体的表面上,进而在电磁场边界条件中引入残余表面电荷导致的表面电导率这一唯象参数,以此求解带电体的散射性质。目前,在带电体电磁散射的相关研究中,存在两个关键问题。其一,在散射体的形状方面,缺乏对于非球形带电体的研究。其二,在背景介质方面,忽略了背景介质对电磁波的吸收性,而在广义上,带电体所存在的等离子体环境和电解质溶液环境均为吸收性介质。针对这两个问题,本文从Maxwell方程组和引入表面电导率的电磁场边界条件出发,研究了带电平板、带电球和带电圆柱的电磁散射问题,并考虑了带电体所存在的背景介质的电磁吸收性。具体的研究内容如下:对于平面界面,非均匀平面波(HIPW)在双层无限大介质间界面上的反射和折射是电磁学的基础问题,这一问题是进一步求解多层薄膜结构光学性质的关键。HIPW具有不相等的相位入射角和振幅入射角,当两角相等时,HIPW退变为均匀平面波(HHPW)。针对HIPW入射到双层吸收介质间带电平面的问题,本文推导了具有普适性的广义Snell定律、Fresnel定律和能量守恒关系。理论结果表明,广义的Snell定律不受表面电导率的影响,即电磁波在界面处的偏折与带电无关;广义的Fresnel定律中包含面电导率这一参数;在广义的能量平衡关系中,除了寻常的反射和折射,还需考虑由介质吸收性导致的反射与折射的干涉项,以及由残余表面电荷引起的焦耳热损失项。计算结果表明,HHPW入射时,反射率和折射率在小入射角下对面电导率的变化更加敏感,且伪Brewster角会随面电导率的增加而增加,这些结果与时域有限差分法模拟的结果相吻合;HIPW入射时,与较小的相位入射角相比,大相位入射角下的焦耳热损失被大大增强,这表明表面电荷和HIPW之间具有较强的相互作用。球形带电粒子的电磁散射于近年来得到了大量的研究关注,研究发现残余电荷可用来调控带电球的远场和近场光学性质,但这些研究均忽略了背景介质的吸收性。为考虑背景介质的吸收性,本文发展了吸收性背景介质中带电球形粒子的Lorentz-Mie理论,并计算了带电球形粒子的远场消光截面和近场电场分布。研究表明,表面电导率的增加会使消光截面中的干涉振动减弱,而背景介质吸收性的增大则会使干涉振动增强。对于近场电场分布,表面电导率与背景介质的吸收性拥有不同的作用机制。背景介质的吸收一方面会导致电场的整体衰减,另一方面会使后向散射场相对增强;而粒子带电一方面会使电场的分布图案大大改变,另一方面还会大大影响电场的大小。本文的研究表明,通过控制粒子的带电量和背景介质的吸收性,可以更加全面地调控球形粒子的远场和近场光学性质。尽管电中性圆柱体的电磁散射理论已发展了百年之久,但是带电圆柱的电磁散射问题至今尚未解决。根据圆柱体的对称性,带电圆柱体的散射性质可能对入射光的偏振态极为敏感。针对这一问题,本文推导了带电无限长圆柱在平面波正入射下的电磁散射理论,进而计算了带电圆柱的远场消光、散射和吸收因子以及近场电场分布。研究发现,不同偏振态下,残余表面电荷对消光、散射和吸收因子的影响大不相同。对于p偏振入射,表面电荷会在远场消光因子上产生平台结构,这一平台结构来源于带电圆柱对入射光的吸收。对于s偏振入射,表面电荷一方面会引起新的共振,另一方面会引起反常共振的移动和共振宽度的展宽。近场分布对残余电荷的响应可分为两个区域。其一,在表面电荷引起的新共振区,带电会使粒子内部的电场几乎全部转移到粒子外;其二,在反常共振区,带电会使粒子外部的电场转移到内部。金纳米粒子在生物光学和纳米光子学等领域均有着重要应用。在纳米粒子的制备过程中,金粒子经常是带电的,本文计算了金的带电平板、球和圆柱的光学性质。对于平板结构,表面电导率引起的焦耳热损失在表面等离共振波长下达到最大值;对于球形粒子,表面电导率的增加会使消光因子中的共振发生红移;对于圆柱形粒子,面电导率的增加会使消光因子中的共振向波长增大的方向展宽。为计算金带电粒子的散射性质,本文测量了三种多晶金膜在200 nm到25μm波段下的宽波段介电函数。基于Drude模型和电子-晶界散射的半经典Mayadas-Shatzkes模型,本文发现晶界处电子反射系数的差异会大大影响金的介电函数。过去半个多世纪以来,金介电函数的测量差异一直是学者们关心的热点问题,本文的研究结果为此测量差异提供了新的解释。
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