一种拓扑绝缘体粒子对涡旋光散射特性的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种拓扑绝缘体粒子对涡旋光散射特性的计算方法，具体包括如下步骤：步骤1，将拉盖尔‑高斯光束通过平面角谱法进行展开分别得到x,y,z方向的电场强度和磁场强度，并利用局部近似方法得出球坐标系下电场和磁场的径向分量；步骤2，求波束因子；步骤3，将拉盖尔‑高斯光束入射TI球的入射场，散射场和球形粒子内部场用矢量球谐函数和散射系数展开得到E

A calculation method of vortex light scattering characteristics by topological insulator particles

【技术实现步骤摘要】
一种拓扑绝缘体粒子对涡旋光散射特性的计算方法
本专利技术属于无线激光通信
，涉及一种拓扑绝缘体粒子对涡旋光散射特性的计算方法。
技术介绍
拓扑绝缘体材料有着不同寻常的量子态，在其内部导带和价带之间存在类似于绝缘体的能带结构，在其外部或者边缘却存在受拓扑保护、无能隙的表面态。在能级结构上，这些表面态连接价带和导带，是由能带结构的拓扑性质所引起，受时间反演对称性的保护，能够非常稳定的存在。拓扑绝缘体中拓扑磁电耦合项的存在，使其麦克斯韦作用修正为：其中，ε和μ分别为介电常数和磁导率，Ε和Β分别为电场强度和磁感应强度，α为精细结构常数，d3xdt是时空体积元，Θ是描述TI的轴子角即是拓扑磁电极化率(TMEP)；拓扑绝缘体的本构关系修改为：D＝εΕ-(Θα/π)Β,Η＝Β/μ+(Θα/π)Ε,其中D是电位移，Η是磁场强度。国内外专家学者对球形粒子的散射问题，从单个球到多个球，从单层到多层介质球，从平面波到有形波束入射，从普通介质球到手性介质球，等都进行了深入的研究。然而，拉盖尔高斯涡旋光束对球形粒子的散射研究还处于初始阶段。柯熙政等人研究了具有轨道角动量的高阶LGB对单球粒子的散射特性；赵继芝，欧军等人研究了球形和椭球形粒子对聚焦高阶LGB的散射特性；Kiselev等人用T矩阵方法研究了各向同性球形粒子对高阶LGB的近场散射特性；屈檀，吴振森等人系统地研究了单轴各向异性球和双球以及手征介质球对LGB的散射特性；徐强，韩一平等人对LGB矢量远场单球粒子的散射特性进行了研究。由于拓扑磁电效应的出现，拓扑绝缘体的散射问题引起了国内外学者的研究热潮。曾伦武等人研究了TI球形和TI椭球形粒子对平面电磁波的散射特性，根据TI的本构关系和边界条件，修正了内场和散射场的解析式，利用推导了散射电磁场；葛立新等人研究了TI圆柱体和球形粒子的电磁散射特性,并且在瑞利近似下，推导出估算TMEP的表达式；AkhleshLakhtakia等人对以表面导纳γ为特征的拓扑绝缘球体的电磁散射特性进行研究，得出，对于较大的γ值，无论球体由耗散或非耗散材料组成，无论该材料是否支持正相速度或负相速度的平面波传,TI的散射特性接近完美导电球体的散射特性；FaheemAshraf等人对手征介质中TI圆柱体的散射进行了研究，并与手征介质手性圆柱体的散射特性进行对比,发现手征介质中拓扑圆柱交叉极化场分量的行为比手征介质圆柱体具有更强的散射。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种拓扑绝缘体粒子对涡旋光散射特性的计算方法，该方法运用电磁波理论和广义Mie散射理论研究拓扑绝缘体粒子对拉盖尔-高斯光束的散射特性，使拓扑绝缘体粒子在电子设备和光学设备的设计和生产方面具有很好的应用前景。本专利技术所采用的技术方案是，一种拓扑绝缘体粒子对涡旋光散射特性的计算方法，具体包括如下步骤：步骤1，将拉盖尔-高斯光束通过平面角谱法进行展开分别得到x,y,z方向的电场强度Ex、Ey、Ez和磁场强度和Hx、Hy、Hz，并利用局部近似方法得出球坐标系下电场Er和磁场的径向分量和Hr；步骤2，将步骤1得出的球坐标系下电场和磁场的径向分量Er和Hr，代入横磁横电模式下的波束因子的积分表达式中，求出波束因子和步骤3，根据步骤2所得的波束因子和将拉盖尔-高斯光束入射TI球的入射场，散射场和球形粒子内部场用矢量球谐函数和散射系数展开得到Εinc、Εsca、Εint、Hinc、Hsca、Hint；步骤4，根据步骤3所得结果，求拉盖尔-高斯光束入射TI球的散射系数；步骤5，基于步骤4中求得的散射系数，求出拉盖尔-高斯光束入射TI球远场区的散射电场的θ分量和分量；步骤6，基于步骤5中求得的远场区的散射电场的θ分量和分量，求出拉盖尔-高斯光束入射TI球的散射效率因子Qsca、消光效率因子Qext和吸收效率因子Qabs。本专利技术的特点还在于，步骤1的具体过程如下：在球坐标系中，一束X轴方向线偏振的LGB沿z轴入射到均匀球形粒子上，入射的低阶LGB在Z＝0处的电场表达式为：其中E0是电场振幅，x,y为直角坐标，k为波数，ω为束腰半径，l为拓扑荷数；基于矢量角谱法将LGB的电磁场分布沿着x,y,z方向展开分别为：其中，Ex、Ey、Ez和Hx、Hy、Hz分别为x,y,z方向的电场强度和磁场强度。将直角坐标系下的表达式转化成球坐标系下各分量的表达式：(4)；其中，r、θ、是球坐标系坐标。步骤2的具体过程如下：将步骤1所得的球坐标系下的电场和磁场的径向分量代入横磁横电模式下的波束因子的积分表达式中，如下所示：其中，当m＝0时，复合归一因子当时m≠0，复合归一因子将公式(4)代入公式(5)中，并利用指数函数和三角函数的正交性，计算得到在轴入射的LGB的光束因子表达式：光束在轴入射，m＝±1-l。步骤3的具体过程如下：假设TI球和空气的介电常数和磁导率分别为ε1,μ1和ε2,μ2；球体的半径为a；LGB波束在轴入射TI球，当入射电磁场是TE(TM)波时，散射电场和传输电场均为TE波，在拓扑绝缘体中，由于磁电响应，散射电磁场是交叉极化的,拉盖尔-高斯光束入射TI球的入射场，散射电场和球形粒子内部场用矢量球谐函数M和N展开为：其中，An，Bn是TI球形粒子的散射系数，Cn和Dn是TI球体内部的散射系数，和是由于TI球体的TME效应产生的交叉散射系数。步骤4的具体过程如下：结合球形粒子表面的电磁场切向分量连续边界条件：r×(Einc+Esca-Eint)＝0；再根据和的正交性，求解关于散射系数An、Bn、Cn、Dn、和的线性无关的方程得到散射系数，具体为：其中，其中，jn和hn分别是第一类球Bessel函数和Hankel函数；x＝ka是一个尺寸参数；是球体的相对折射率；β1和β2是关于拓扑绝缘体球形粒子的轴子角α的函数，分别表示为当Θ＝0时，an、bn、cn和dn将退化成普通介质球的散射系数和球内部系数。步骤5的具体过程如下：根据如下公式求拉盖尔-高斯光束入射TI球远场区的散射电场的θ分量和分量当退化为普通介质球对LGB的散射场；an和bn是球形粒子对平面波的散射系数，和是散射角函数，是一阶n次第一类勒让德函数。步骤6的具体过程如下：分别通过如下公式求散射效率因子Qsca、消光效率因子Qext和吸收效率因子Qabs：Qabs＝Qext-Qsca；其中，λ为波长，和是球坐标系下散射能量密度的θ分量和分量，和分别是入射电场和散射电场球坐标系下的θ分量，和分别是入射电场和散射电场球坐标系下的分量，和分别是入射磁场和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种拓扑绝缘体粒子对涡旋光散射特性的计算方法，其特征在于：具体包括如下步骤：/n步骤1，将拉盖尔-高斯光束通过平面角谱法进行展开分别得到x,y,z方向的电场强度E

【技术特征摘要】
1.一种拓扑绝缘体粒子对涡旋光散射特性的计算方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，将拉盖尔-高斯光束通过平面角谱法进行展开分别得到x,y,z方向的电场强度Ex、Ey、Ez和磁场强度和Hx、Hy、Hz，并利用局部近似方法得出球坐标系下电场Er和磁场的径向分量和Hr；
步骤2，将步骤1得出的球坐标系下电场和磁场的径向分量Er和Hr，代入横磁横电模式下的波束因子的积分表达式中，求出波束因子和
步骤3，根据步骤2所得的波束因子和将拉盖尔-高斯光束入射TI球的入射场，散射场和球形粒子内部场用矢量球谐函数和散射系数展开得到Einc、Esca、Eint、Hinc、Hsca、Hint；
步骤4，根据步骤3所得结果，求拉盖尔-高斯光束入射TI球的散射系数；
步骤5，基于步骤4中求得的散射系数，求出拉盖尔-高斯光束入射TI球远场区的散射电场的θ分量和分量；
步骤6，基于步骤5中求得的远场区的散射电场的θ分量和分量，求出拉盖尔-高斯光束入射TI球的散射效率因子Qsca、消光效率因子Qext和吸收效率因子Qabs。


2.根据权利要求1所述的一种拓扑绝缘粒子对涡旋光散射特性的计算方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程如下：
在球坐标系中，一束X轴方向线偏振的LGB沿z轴入射到均匀球形粒子上，入射的低阶LGB在Z＝0处的电场表达式为：



其中E0是电场振幅，x,y为直角坐标，k为波数，ω为束腰半径，l为拓扑荷数；
基于矢量角谱法将LGB的电磁场分布沿着x,y,z方向展开分别为：






其中，



Ex、Ey、Ez和Hx、Hy、Hz分别为x,y,z方向的电场强度和磁场强度。
将直角坐标系下的表达式转化成球坐标系下各分量的表达式：



其中，r、θ、是球坐标系坐标。


3.根据权利要求2所述的一种拓扑绝缘粒子对涡旋光散射特性的计算方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：
将步骤1所得的球坐标系下的电场和磁场的径向分量代入横磁横电模式下的波束因子的积分表达式中，如下所示：



其中，当m＝0时，复合归一因子当时m≠0，复合归一因子
将公式(4)代入公式(5)中，并利用指数函数和三角函数的正交性，计算得到在轴入射的LGB的光束因子表达式：



光束在轴入射，m＝±1-l。


4.根据权利要求3所述的一种拓扑绝缘粒子对涡旋光散射特性的计算方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程...

【专利技术属性】
技术研发人员：王明军，林妞妞，张佳琳，翟治珠，魏亚飞，张艺伟，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61