Том 28, номер 09, статья № 9

Аннотация:

Рассматривается формулировка метода физической оптики, исходя из уравнений Максвелла. Показана эквивалентность различных определений метода физической оптики. Представлено подробное сравнение трех дифракционных формул, соответствующих E-, M- и (E, M)-теориям дифракции. Установлено, что в случае дифракции на отверстии в плоском экране все три дифракционные формулы дают одинаковое сечение рассеяния для дифракционных углов вплоть до 60°, однако поляризационные элементы матрицы Мюллера существенно расходятся уже для углов порядка 15–30°. Также показано, что при дифракции на наклонном экране различие между E-, M- и (E, M)-теориями дифракции проявляется тем сильнее, чем сильнее наклон экрана. Так, при наклоне экрана порядка 80° E-, M-теории дифракции применимы только для очень небольших (порядка 1°) дифракционных углов. Сравнение с точным решением, полученным методом FDTD, подтвердило, что различие между E-, M- и (E, M)-теориями дифракции для дифракции на плоском экране не так существенно, однако для расчетов предпочтительнее использовать (E, M)-теорию дифракции.

Ключевые слова:

физическая оптика, алгоритм трассировки пучков, рассеяние света, ледяные кристаллы, FDTD

Список литературы:

1. Borovoi A.G., Grishin I.A. Scattering matrices for large ice crystal particles // J. Opt. Soc. Amer. A. 2003. V. 20, N 11. P. 2071–2080.
2. Borovoi A.G. Light scattering by large particles: Physical optics and the shadowforming field / Ed. A.A. Kokhanovsky. Light scattering reviews. V. 8. Chichester: Springer-Praxis, 2013. P. 115–138.
3. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. The physical-optics approximation and its application to light backscattering by hexagonal ice crystals // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2014. V. 146. P. 181–189.
4. Bi L., Yang P., Kattawar G.W., Hu Y., Baum B.A. Scattering and absorption of light by ice particles: Solution by a new physical-geometric optics hybrid method // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011. V. 112, N 9. P. 1492–1508.
5. Bi L., Yang P. Physical-geometric optics hybrid me-thods for computing the scattering and absorption properties of ice crystals and dust aerosols / Ed. A.A. Kokhanovsky. Light scattering reviews. V. 8. Chichester: Springer-Praxis, 2013. P. 69–114.
6. Nieto-Vesperinas M. Scattering and diffraction in physical optics. 2nd ed. New Jersey: World sci., 2006. 434 p.
7. Ishimaru A. Electromagnetic wave propagation, radiation, and scattering. London: Prentice Hall, 1990. 656 p.
8. Mandel L., Wolf E. A generalized extinction theorem and its role in scattering theory // Coherence and Quantum Optics. N.Y.: Plenum Press, 1973. P. 339–357.
9. Tai C.T. Direct integration of field equations // Prog. Electromagn. Res. 2000. V. 28. P. 339–359.
10. Tai C.T. Dyadic green functions in electromagnetic theory. 2nd ed. N.Y.: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1994. 343 p.
11. Морс Ф.М., Фешбах Г. Методы теоретической физики. Т. 2. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1960. 897 с.
12. Franz V.W. Zur Formulierung des Huygensschen Prinzips // Zeitschrift für Naturforschung. A. 1948. V. 3, N 8–11. P. 500–506.
13. Зоммерфельд А. Оптика / пер. с нем. Н.В. Родниковой; под ред. М.А. Ельяшевича. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1953. 486 с.
14. Pattanayak D.N. Thesis. University of Rochester, 1973.
15. Pattanayak D.N., Wolf E. General form and a new interpretation of the Ewald–Oseen extinction theorem // Opt. Commun. 1972. V. 6, N 3. P. 217–220.
16. Jackson J.D. Classical electrodynamics. 3rd ed. N.Y.: John Wiley & Sons, 1998. 808 p.
17. Orfanidis S.J. Electromagnetic waves and antennas. New Jersey: Rutgers University, 2014. 1188 p. URL: www.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ewa
18. Стрэттон Дж.А. Теория электромагнетизма. М.; Л.: Гостехтеоретиздат, 1948. 539 с.
19. Asvestas J.S. Diffraction by a black screen // J. Opt. Soc. Amer. 1975. V. 65, N 2. P. 155–158.
20. Kottler F. Diffraction at a black screen. Part 1: Kirchhoff's theory // Prog. Opt. 1965. V. 4. P. 281–314.
21. Kottler F. Diffraction at a black screen. Part II: Electromagnetic theory // Prog. Opt. 1967. V. 6. P. 331–377.
22. Щелкунов С.А., Фриис Х.Т. Антенны: теория и практика. М.: Сов. радио, 1955. 604 с.
23. Yang P., Liou K.N. Geometric-optics-integral-equation method for light scattering by nonspherical ice crystals // Appl. Opt. 1996. V. 35, N 33. P. 6568–6584.
24. Ромашов Д.Н. Рассеяние света гексагональными ледяными кристаллами // Оптика атмосф. и океана. 2001. Т. 14, № 2. С. 116–124.
25. Karczewski B., Wolf E. Comparison of three theories of electromagnetic diffraction at an aperture. Part II: The far field // J. Opt. Soc. Amer. 1966. V. 56, N 9. P. 1214–1219.
26. Masuda K., Ishimoto H., Mano Y. Efficient method of computing a geometric optics integral for light scattering by nonspherical particles // Pap. Meteorol. Geophys. 2012. V. 63. P. 15–19.
27. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Алгоритм трассировки пучков для задачи рассеяния света на атмосферных ледяных кристаллах. Часть 1. Теоретические основы алгоритма // Оптика атмосф. и океана. 2015. Т. 28, № 4. С. 324–330.
28. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Алгоритм трассировки пучков для задачи рассеяния света на атмосферных ледяных кристаллах. Часть 2. Сравнение с алгоритмом трассировки лучей // Оптика атмосф. и океана. 2015. Т. 28, № 4. С. 331–337.
29. Алгоритм трассировки пучков. URL: https://github. com/sasha-tvo/Beam-Splitting. Branch:  physical-optics.
30. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. Backscattering reciprocity for large particles // Opt. Lett. 2013. V. 38, N 15. P. 1485–1487.
31. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. Backscattering by hexagonal ice crystals of cirrus clouds // Opt. Lett. 2013. V. 38, N 19. P. 2881–2884.
32. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Граница применимости приближения геометрической оптики для решения задачи обратного рассеяния света на квазигоризонтально ориентированных гексагональных ледяных пластинках // Оптика атмосф. и океана. 2014. Т. 27, № 8. С. 705–712.