Light scattering in dense particulate media

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6120-8
Title: Light scattering in dense particulate media
Author: Väisänen, Timo
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Doctoral Programme in Particle Physics and Universe Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-08-18
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6120-8
http://hdl.handle.net/10138/317935
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Physical characterization of planetary objects would be accelerated by the capability of simulating light scattering from an arbitrary dense multiparticle medium. Even though exact methods that solve the Maxwell equations exist, such as the superposition T-matrix method (STMM), they are too compute-intensive to be applied to large macroscale objects such as an asteroid or a planetary surface. In the thesis, radiative transfer (RT) based tools are developed, studied, and offered as an approximation to simulate light scattering from dense particulate media. The RT theory has been derived for the sparse random medium, and it fails when applied to the dense random medium. In order to extend the applicability to dense random media, we have been working with the incoherent volume-element treatment for the RT called the radiative transfer with reciprocal transactions (R²T²). Instead of using a single particle as the diffuse scatterer in the RT, the properties of the incoherent volume elements are used. These properties are computed from the incoherent electric fields extracted by subtracting the coherent part from the free-space scattered electric fields. The R²T² is validated by simulating various dense random media for which the STMM is still applicable. In the geometric optics regime, there are the generalized Snel's law and Fresnel matrices that can be used to simulate light scattering from large objects. For dense particulate media, the computation can be slow, so diffuse scattering as a tool to speed up the computation is studied. Previous studies have included surface roughness with approximate functions, but here a layer of particles is added on top of the diffusely scattering medium. We replace the classical extinction mean free path with more informative extinction distance distribution that is gathered numerically. The comparison between the RT model, our model, and the "ground truth", in which only the generalized Snel's law and Fresnel matrices are used, reveal that our model works better than the RT model. Even though the computational methods are validated against each other, the methods need to be validated experimentally against controlled samples with well-known physical properties in order to be a reliable source of information. For the validation of the R²T², we computationally simulated a well-controlled sample of which the light-scattering characteristics have been measured. Although the phase function of the simulation and measurement match well, the other scattering characteristics, seem to reveal small discrepancies between the model and the measurements. Still, the various computational validations and this experimental validation show that the R²T² works well and can be used in the near future as a characterization tool.Tiheän monipartikkelipinnan valonsirontaominaisuuksien tarkka simulointi nopeuttaisi Aurinkokunnan kappaleiden pintojen ominaisuuksien kartoittamista. Nykyiset eksaktit teoreettiset menetelmät pystyvät ratkaisemaan valonsirontaongelmat numeerisesti, mutta ne ovat laskennallisesti raskaita monipartikkelisysteemeille. Valonsironta tiheistä monipartikkelipinnoista, kuten asteroidien pinnoista, täytyy siis ratkaista käyttämällä approksimatiivisia menetelmiä, joissa valonsironnan fysiikka on yksinkertaistettu. Säteilynkuljetusteoria on johdettu Maxwellin yhtälöistä olettamalla sirottava systeemi harvaksi ja siksi menetelmä tuottaa virheellisiä tuloksia tiheillä väliaineilla. Ongelman ratkaisemiseksi kehitettiin tiheiden väliaineiden säteilynkuljetus R²T² (engl. Radiative transfer with reciprocal transactions), jossa yksittäinen sirottava partikkeli on korvattu epäkoherenteilla tilavuuselementeillä. Tässä väitöskirjassa esitellyt julkaisut näyttävät menetelmän laajentavan säteilynkuljetuksen käyttöaluetta vertailemalla R²T²:n, eksaktien menetelmien ja normaalin säteilynkuljetuksen tuloksia. Lisäksi R²T²:ta sovellettiin todellisen kappaleen valonsirontaominaisuuksien laskemiseen, millä osoitettiin, että menetelmää voidaan käyttää lähitulevaisuudessa pintojen karakterisointiin. Geometrisen optiikan alueella partikkelit ovat suuria aallonpituuteen verrattuna, ja siksi säteenseurantaa voidaan käyttää valonsirontaongelman ratkaisemiseen. Säteenseurannassa valonsäde voi jakautua jokaisen sirontaprosessin yhteydessä, mikä tekee menetelmästä laskennallisesti raskaan. Ongelman lieventämiseksi säteilynkuljetuksen käyttämistä säteenseurannan tukena tutkittiin, missä osa kappaleesta korvattiin tilastollisena väliaineena. Vertailut menetelmien välillä osoittivat, että menetelmä nopeuttaa simulaatiota ilman merkittävää tarkkuuden menettämistä.
Subject: tähtitiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record