Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время во многих физических областях и приложениях представляется актуальным изучение взаимодействия электромагнитного излучения с дисперсными частицами, т. е. частицами, размеры которых меньше или сопоставимы с длиной волны света. В частности, особый интерес представляет исследования процесса поглощения электромагнитного излучения такими частицами, результаты которых находят применение в ряде прикладных задач, возникающих в таких направлениях, как физика атмосферы, атмосферная оптика, электродинамика, физика космоса, биофизика клетки, оптика аэрозолей.
Присутствующие в атмосфере малые частицы, аэрозоли, играют важную роль в системе климата Земли благодаря взаимодействию с солнечной и земной радиацией через процессы рассеивания и поглощения, которые приводят к изменению запаса радиации Земли. В связи с этим прикладными задачами в оптике аэрозолей и физике атмосферы являются обнаружение частиц, измерение их размеров и получение распределения их внутренней энергии, а, следовательно, и температуры. Это позволяет изучать их оптические, микрофизические свойства и проводить оценку химического состава (показателя преломления) и, таким образом, изучать их свойства рассеяния и поглощения для возможности воздействия на них. Результаты таких исследований находят свое применение, например, при создании и оптимизации каналов просветления в атмосфере посредством интенсивного лазерного излучения на атмосферные аэрозоли. При данном воздействии возникает разогрев частиц, их испарение и тепловой взрыв. Подобные практические применения результатов исследований актуальны при решении, например, проблемы загрязнения окружающей среды промышленными аэрозолями или последствиями вулканической активности на сейсмически активных территориях планеты.
Результаты изучения процесса поглощения электромагнитного излучения дисперсными частицами актуальны также в биофизике клетки и медицине. В медицине, например, практическое применение результатов используется в технологии, получившей название «лазерного пинцета». Это возможность перемещать клетку только при помощи узкого пучка света.
Ранее были получены строгие решения задач о нахождения внутреннего поля частиц однородного состава, но реальные частицы
являются оптически неоднородными, то есть их диэлектрическая проницаемость є и проводимость о внутри них являются переменными.
В связи с этим становится актуальным развитие полученных ранее решений для случая такой неоднородности.
Кроме того, представляет интерес случай, когда вещество частицы, на которую воздействуют электромагнитным излучением, имеет неположительные диэлектрическую проницаемость и проводимость <т , которые в общем случае также могут быть непостоянными для всей частицы. В случае, когда а < О, частицы становятся визуально невидимыми, и результаты исследования в данном направлении могут быть актуальны в военно-промышленной сфере.
Целью диссертационной работы является построение математических моделей для расчета внутреннего поля оптически неоднородных несферических частиц и их коллективов, комплексная диэлектрическая проницаемость которых зависит от координаты, и проведение вычислительных экспериментов на основе построенных моделей.
Научная новизна работы заключается в:
-
установлении функциональных связей между параметрами неоднородных несферических частиц и характеристиками электромагнитного излучения;
-
построении моделей взаимодействия электромагнитного излучения с неоднородными несферическими частицами на основе принципа Гюйгенса-Пуанкаре;
-
решении задачи математического моделирования взаимодействия электромагнитного излучения с оптически неоднородными несферическими частицами асимптотическими и численными методами с использованием потенциалов Дебая;
-
разработанных алгоритмах расчета внутреннего поля неоднородной несферической частицы;
-
создании комплекса программ для проведения вычислительного эксперимента по расчету внутреннего поля неоднородной несферической частицы.
Обоснованность и достоверность полученных результатов
подтверждаются фундаментальными теоретическими положениями, такими как электромагнитная теория Максвелла, теория Ми, теория специальных функций, а также переходом полученных решений в
предельном случае сферической однородной частицы в известное ранее решение.
Теоретическая ценность работы заключается в том, что предложенный математический метод может быть обобщен на случай рассмотрения примитивов в виде цилиндров или других частиц простых конфигураций, а также рассмотрения агломератов с нелинейными оптическими свойствами.
Практическая ценность работы заключается в том, что результаты могут использоваться для проведения расчетов внутренних полей и поглощенной энергии в неоднородных несферических частицах, для решения различных задач физики дисперсных систем, электродинамики, теплофизики, акустики, а также внедрены в учебный процесс для подготовки бакалавров по направлению 231300 «Прикладная математика».
Апробация работы.
Результаты работы обсуждались и докладывались на следующих научных конференциях:
Международная научная конференция «GAeF Meeting 2008 on "Light Scattering: Mie and More - Commemorating 100 years Mie's 1908 publications», г. Карлсруэ, Германия, 2008г.;
1-я международная научная конференция «The Modeling of Nonlinear Processes and Systems», в ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин», г.Москва,
2008 г.;
- 16-я международная научная конференция «Математика.
Компьютер. Образование», в Институте Биофизики РАН, г. Пущино,
2009 г.;
17 - я международная научная конференция «Математика. Компьютер. Образование» в ОИЯИ, г. Дубна, 2010 г.;
2-я международная научная конференция «The Modeling of Nonlinear Processes and Systems», в ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин», г. Москва, 2011г.
Положения, выносимые на защиту:
метод определения внутреннего электромагнитного ПОЛЯ для оптически неоднородных несферических дисперсных частиц, основанный на принципе Гюйгенса-Пуанкаре;
построенные математические модели взаимодействия электромагнитных волн с неоднородными несферическими частицами;
разработанные алгоритмы и решения поставленной задачи аналитическим и численным методами.
Публикации.
По теме исследования опубликовано 9 научных работ и 2 из них в периодических научных изданиях, рекомендованных в ВАК.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и двух приложений. Работа содержит 100 страниц машинописного текста.
