Том 37, номер 05, статья № 5

Аннотация:

В задаче рассеяния света одиночной случайно ориентированной частицей пик обратного рассеяния для крупной частицы неправильной формы связан с известным пиком когерентного обратного рассеяния. Показано, что степень линейной поляризации вблизи направления рассеяния назад для одиночной частицы имеет всплеск, физической причиной появления которого является то же самое когерентное обратное рассеяние. В приближении физической оптики нами рассчитано обратное рассеяние света крупными хаотически ориентированными частицами неправильной формы. Показано, что знак всплеска поляризации для пар сопряженных пучков может быть как отрицательным, так и положительным в зависимости от формы траектории пучков света, которые вносят основной вклад в обратное рассеяние. Суммируя всплески, мы приходим к выводу, что общеизвестные явления отрицательной поляризации не обязательны для случая одиночной частицы, рассеивающей свет в окрестности направления рассеяния назад. Результаты работы будут полезны для интерпретации данных, получаемых российскими и международными лидарными сетями.

Ключевые слова:

рассеяние света, метод физической оптики, матрица Мюллера, когерентное обратное рассеяние, отрицательная поляризация, сопряженные пучки

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Mishchenko M.I., Hovenier J.W., Travis L.D. Light Scattering by Nonspherical Particles. San Diego: Academic, 2000. 690 p.
2. Taflove A. Advances in Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method. Boston: Artech House, 1998. 735 р.
3. Yurkin M.A., Maltsev V.P., Hoekstra A.G. The discrete dipole approximation for simulation of light scattering by particles much larger than the wavelength // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2007. V. 106. P. 546–557. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2007.01.033.
4. Grynko Y., Shkuratov Y., Forstner J. Intensity surge and negative polarization of light from compact irregular particles // Opt. Lett. 2018. V. 43, N 15. P. 3562–3565. DOI: 10.1364/OL.43.003562.
5. Grynko Y., Shkuratov Y., Forstner J. Light scattering by irregular particles much larger than the wavelength with wavelength-scale surface roughness // Opt. Lett. 2016. V. 41, N 15. P. 3491–3494. DOI: 10.1364/OL.41.003491.
6. Zhou C., Yang P. Backscattering peak of ice cloud particles // Opt. Express. 2015. V. 23, N 9. P. 11995–12003. DOI: 10.1364/OE.23.011995.
7. Ding J., Yang P., Holz R.E., Platnick S., Meyer K.G., Vaughan M.A., Hu Y., King M.D. Ice cloud backscatter study and comparison with CALIPSO and MODIS satellite data // Opt. Express. 2016. V. 24, N 1. P. 620–636. DOI: 10.1364/OE.24.000620.
8. Shishko V.A., Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Timofeev D.N., Borovoi A.G. Coherent and incoherent backscattering by a single large particle of irregular shape // Opt. Express. 2019. V. 27, N 23. P. 32984–32993. DOI: 10.1364/OE.27.032984.
9. Shkuratov Yu., Ovcharenko A., Zubko E., Volten H., Muñoz O., Videen G. The negative polarization of light scattered from particulate surfaces and of independently scattering particles // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2004. V. 88, N 1–3. P. 267–284.
10. Lyot B. Recherches sur la polarisation de la lumière des planètes et de quelques substances terrestres. Orléans: H. Tessier, 1929. 161 p.
11. Zubko E., Muinonen K., Shkuratov Y., Hadamcik E., Levasseur-Regourd A.-C., Videen G. Evaluating the carbon depletion found by the Stardust mission in Comet 81P/Wild2 // Astron. Astrophys. 2012. V. 544. Р. L8. DOI: 10.1051/0004-6361/201218981.
12. Öhman Y. A tentative explanation of the polarization in diffuse reflection // Stockholm Obs. Ann. 1955. V. 18. P. 1–10.
13. Hopfield J. Mechanism of lunar polarization // Science. 1966. V. 151, N 3716. P. 1380–1381.
14. Bandermann L.W., Kemp J.C., Wolstencroft R.D. Circular polarization of light scattered from rough surfaces // Mon. Not. R. Astr. Soc. 1972. V. 158, N 3. P. 291–304.
15. Kolokolova L.O. Dependence of polarization on optical and structural properties of the surface of atmosphere less bodies // Icarus. 1990. V. 84, N 2. P. 305–314.
16. Muinonen K. Scattering of light by crystals: A modified Kirchhoff approximation // Appl. Opt. 1989. V. 28, N 15. P. 3044–3050.
17. Wolff M. Computing diffuse reflection from particulate planetary surfaces with a new function // Appl. Opt. 1981. V. 20, N 14. P. 2429–2498.
18. Kiselev N.N., Chemova G.E. Phase function of polarization and brightness and nature of cometary atmosphere particles // Icarus. 1981. V. 48, N 3. P. 473–481.
19. McCoyd G.C. Polarization properties of simple dielectric rough surface model // J. Opt. Soc. Am. 1967. V. 57. N 11. P. 1345–1350.
20. Lumme K. A model for the polarization of atmosphere less bodies // Bull. Amer. Astron. Soc. 1979. V. 11. P. 562.
21. Mishchenko M.I., Rosenbush V.K., Kiselev N.N., Lupishko D.F., Tishkovets V.P., Kaydash V.G., Belskaya I.N., Efimov Y.S., Shakhovskoy N.M. Polarimetric remote sensing of solar system objects. Kyiv: Akademperiodika, 2010. 291 p.
22. Shkuratov Y.G., Muinonen K., Bowell E., Lumme K., Peltoniemi J.I., Kreslavsky M.A., Stankevich D.G., Tishkovetz V.P., Opanasenko N.V., Melkumova L.Y. A critical review of theoretical models of negatively polarized light scattered by atmosphere less solar system bodies // Earth Moon Planets. 1994. V. 65, N 3. P. 201–246.
23. Mishchenko M.I., Luck J.-M., Nieuwenhuizen T.M. Full angular profile of the coherent polarization opposition effect // J. Opt. Soc. Am. A. 2000. V. 17, N 5. P. 888–891. DOI: 10.1364/josaa.17.000888.
24. Videen G., Muinonen K., Lumme K. Coherence, power laws, and the negative polarization surge // Appl. Opt. 2003. V. 42, N 18. P. 3647–3652. DOI: 10.1364/ao.42.003647.
25. Alhaddad S., Grynko Y., Farheen H., Förstner J. Numerical analysis of the coherent mechanism producing negative polarization at backscattering from systems of absorbing particles // Opt. Lett. 2022. V. 47, N 1. P. 58–61. DOI: 10.1364/OL.444953.
26. Dogariu M., Asakura T. Photon pathlength distribution from polarized backscattering in random media // Opt. Eng. 1996. V. 35, N 8. P. 2234–2239.
27. Lacoste D., Rossetto V., Jaillon F., Saint-Jalmes H. Geo­metric depolarization in patterns formed by backscattered light // Opt. Lett. 2004. V. 29, N 17. P. 2040–2042.
28. Itoh M., Yamanari M., Yasuno Y., Yatagai T. Polarization characteristics of multiple backscattering in human blood cell suspensions // Opt. Quant. Electron. 2005. V. 37. P. 1277–1285. DOI: 10.1007/s11082-005-4199-0.
29. Zubko E. Light scattering by cometary dust: Large-particle contribution // Earth Planets Space. 2013. V. 65. P. 139–148. DOI: 10.5047/eps.2012.02.003.
30. Zubko E., Videen G., Shkuratov Y. Retrieval of dust-particle refractive index using the phenomenon of negative polarization // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2015. V. 151. P. 38–42. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2014.09.015.
31. Mishchenko M.I., Travis L.D., Lacis A.A. Multiple scattering of light by particles: Radiative transfer and coherent backscattering. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2006. 478 p.
32. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. The physics-optics approximation and its application to light backscattering by hexagonal ice crystals // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2014. V. 146. P. 181–189. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2014.04.030.
33. Borovoi A., Grishin I. Scattering matrices for large ice crystal particles // J. Opt. Soc. Am. 2003. V. 20, N 11. P. 2071–2080. DOI: 10.1364/josaa.20.002071.
34. Kustova N., Konoshonkin A., Shishko V., Timofeev D., Wang Z., Borovoi A. Coherent backscattering by large ice crystals of irregular shapes in cirrus clouds // Atmosphere. 2022. V. 13, N 8. P. 1279. DOI: 10.1364/OE.27.032984.
35. van de Hulst H.C. Light Scattering by Small Particles. New York: Dover, 1981. 470 p.
36. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н., Кан Н., Ткачев И.В., Сальников К.С., Боровой А.Г. Поляризационные характеристики когерентного пика обратного рассеяния крупных несферических частиц с хаотической ориентацией в пространстве // Оптика атмосф. и океана. 2023. Т. 36, № 1. С. 66–72; Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Shishko V.A., Timofeev D.N., Kan N., Tkachev I.V., Salnikov K.S., Borovoi A.G. Polarization characteristics of the coherent backscattering peak for large nonspherical particles with random orientation in space // Atmos. Ocean. Opt. 2023. V. 36, N 3. P. 244–255. DOI: 10.1134/S1024856023030156.