Name: scattering and absorption of light in planetary regoliths
Uploaded: 2019-07-01T13:00:00
Duration: 11 min 34 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Scattering And Absorption of Light in Planetary Regoliths at JoVE.com

Исследование поддерживается ERC Расширенный Грант No 320773. Мы благодарим Лабораторию хронологии Финского музея естественной истории за помощь в характеристике образца.

<ol>
	<li>Gehrels, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photometric+studies+of+asteroids.+V.+The+light-curve+and+phase+function+of+20+Massalia.">Photometric studies of asteroids. V. The light-curve and phase function of 20 Massalia.</a> Astrophysical Journal. 123, 331-338 (1956).</li><li>Barabashev, N. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Astronomische Nachrichten. 217, 445 (1922).</li><li>Lyot, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recherches+sur+la+polarisation+de+la+lumiere+des+planetes+et+de+quelques+substances+terrestres.">Recherches sur la polarisation de la lumiere des planetes et de quelques substances terrestres.</a> Annales de l&#8217;Observatoire de Paris. 8 (1), 1-161 (1956).</li><li>Shkuratov, Y. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diffractional+model+of+the+brightness+surge+of+complex+structures.">Diffractional model of the brightness surge of complex structures.</a> Kinematika i fizika nebesnyh tel. 4, 60-66 (1988).</li><li>Shkuratov, Y. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+mechanism+of+the+negative+polarization+of+light+scattered+by+the+surfaces+of+atmosphereless+celestial+bodies.">A new mechanism of the negative polarization of light scattered by the surfaces of atmosphereless celestial bodies.</a> Astronomicheskii vestnik .23. , 176-180 (1989).</li><li>Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electromagnetic+scattering+by+two+interacting+dipoles.">Electromagnetic scattering by two interacting dipoles.</a> Proceedings of the 1989 URSI Electromagnetic Theory Symposium. , 428-430 (1989).</li><li>Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Light Scattering by Inhomogeneous Media: Backward Enhancement and Reversal of Polarization. , (1990).</li><li>Muinonen, K., Mishchenko, M. I., Dlugach, J. M., Zubko, E., Penttil&#228;, A., Videen, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+backscattering+numerically+verified+for+a+finite+volume+of+spherical+particles.">Coherent backscattering numerically verified for a finite volume of spherical particles.</a> Astrophysical Journal. 760, 118-128 (2012).</li><li>Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+backscattering+of+light+by+complex+random+media+of+spherical+scatterers:+Numerical+solution.">Coherent backscattering of light by complex random media of spherical scatterers: Numerical solution.</a> Waves in Random Media. 14, 365-388 (2004).</li><li>Mu&#241;oz, O., Volten, H., de Haan, J. F., Vassen, W., Hovenier, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+determination+of+scattering+matrices+of+olivine+and+Allende+meteorite+particles.">Experimental determination of scattering matrices of olivine and Allende meteorite particles.</a> Astronomy &amp; Astrophysics. 360, 777-788 (2000).</li><li>Sasse, C., Muinonen, K., Piironen, J., Dr&#246;se, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Albedo+measurements+on+single+particles.">Albedo measurements on single particles.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 55, 673-681 (1996).</li><li>Gong, Z., Pan, Y. -. L., Videen, G., Wang, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+trapping+and+manipulation+of+single+particles+in+air:+Principles,+technical+details,+and+applications.">Optical trapping and manipulation of single particles in air: Principles, technical details, and applications.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 214, 94-119 (2018).</li><li>Nieminen, T. A., du Preez-Wilkinson, N., Stilgoe, A. B., Loke, V. L. Y., Bui, A. A. M., Rubinsztein-Dunlop, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+tweezers:+Theory+and+modelling.">Optical tweezers: Theory and modelling.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 146, 59-80 (2014).</li><li>Herranen, J., Markkanen, J., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+of+interstellar+dust+particles+in+electromagnetic+radiation+fields:+A+numerical+solution.">Dynamics of interstellar dust particles in electromagnetic radiation fields: A numerical solution.</a> Radio Science. 52 (8), 1016-1029 (2017).</li><li>Maconi, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-destructive+controlled+single-particle+light+scattering+measurement.">Non-destructive controlled single-particle light scattering measurement.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 204, 159-164 (2018).</li><li>Muinonen, K., Markkanen, J., V&#228;is&#228;nen, T., Peltoniemi, J., Penttil&#228;, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiple+scattering+of+light+in+discrete+random+media+using+incoherent+interactions.">Multiple scattering of light in discrete random media using incoherent interactions.</a> Optics Letters. 43, 683-686 (2018).</li><li>Markkanen, J., V&#228;is&#228;nen, T., Penttil&#228;, A., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scattering+and+absorption+in+dense+discrete+random+media+of+irregular+particles.">Scattering and absorption in dense discrete random media of irregular particles.</a> Optics Letters. 43, 2925-2928 (2018).</li><li>V&#228;is&#228;nen, T., Markkanen, J., Penttil&#228;, A., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Radiative+transfer+with+reciprocal+transactions:+Numerical+method+and+its+implementation.">Radiative transfer with reciprocal transactions: Numerical method and its implementation.</a> Public Library of Science One (PLoS One). 14, e0210155 (2019).</li><li>Martikainen, J., Penttil&#228;, A., Gritsevich, M., Videen, G., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Absolute+spectral+modelling+of+asteroid+(4).">Absolute spectral modelling of asteroid (4).</a> Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 483, 1952-1956 (2019).</li><li>Markkanen, J., Agarwal, J., V&#228;is&#228;nen, T., Penttil&#228;, A., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interpretation+of+phase+functions+of+the+comet+67P/Churyumov-Gerasimenko+measured+by+the+OSIRIS+instrument.">Interpretation of phase functions of the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko measured by the OSIRIS instrument.</a> Astrophysical Journal Letters. 868 (1), L16 (2018).</li><li>Markkanen, J., Yuffa, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fast+superposition+T-matrix+solution+for+clusters+with+arbitrarily-shaped+constituent+particles.">Fast superposition T-matrix solution for clusters with arbitrarily-shaped constituent particles.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 189, 181-188 (2017).</li><li>Markkanen, J., Yl&#228;-Oijala, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Numerical+Comparison+of+Spectral+Properties+of+Volume-Integral-Equation+Formulations.">Numerical Comparison of Spectral Properties of Volume-Integral-Equation Formulations.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 178, 269-275 (2016).</li><li>Lindqvist, H., Martikainen, J., R&#228;bin&#228;, J., Penttil&#228;, A., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ray+optics+for+absorbing+particles+with+application+to+ice+crystals+at+near-infrared+wavelengths.">Ray optics for absorbing particles with application to ice crystals at near-infrared wavelengths.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 217, 329-337 (2018).</li><li>Martikainen, J., Penttil&#228;, A., Gritsevich, M., Lindqvist, H., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectral+modeling+of+meteorites+at+UV-vis-NIR+wavelengths.">Spectral modeling of meteorites at UV-vis-NIR wavelengths.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 204, 144-151 (2018).</li><li>Gor'kov, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+forces+acting+on+a+small+particle+in+an+acoustical+field+in+an+ideal+fluid.">On the forces acting on a small particle in an acoustical field in an ideal fluid.</a> Soviet Physics Doklady. 6, (1962).</li><li>Reddy, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vesta+Rotationally+Resolved+Near-Infrared+Spectra+V1.0.+EAR-A-I0046-3-REDDYVESTA-V1.0.">Vesta Rotationally Resolved Near-Infrared Spectra V1.0. EAR-A-I0046-3-REDDYVESTA-V1.0.</a> NASA Planetary Data System. , (2011).</li><li>Tedesco, E. F., Noah, P. V., Noah, M., Price, S. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=IRAS+Minor+Planet+Survey.+IRAS-A-FPA-3-RDR-IMPS-V6.0.">IRAS Minor Planet Survey. IRAS-A-FPA-3-RDR-IMPS-V6.0.</a> NASA Planetary Data System. , (2004).</li><li>Hicks, M. D., Buratti, B. J., Lawrence, K. J., Hillier, J., Li, J. -. Y., Vishnu Reddy, V., Schr&#246;der, S., Nathues, A., Hoffmann, M., Le Corre, L., Duffard, R., Zhao, H. -. B., Raymond, C., Russell, C., Roatsch, T., Jaumann, R., Rhoades, H., Mayes, D., Barajas, T., Truong, T. -. T., Foster, J., McAuley, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectral+diversity+and+photometric+behavior+of+main-belt+and+near-Earth+vestoids+and+(4)+Vesta:+A+study+in+preparation+for+the+Dawn+encounter.">Spectral diversity and photometric behavior of main-belt and near-Earth vestoids and (4) Vesta: A study in preparation for the Dawn encounter.</a> Icarus. 235, 60-74 (2014).</li><li>Weidling, R., G&#252;ttler, C., Blum, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Free+collisions+in+a+micro-gravity+many-particle+experiment.+I.+Dust+aggregate+sticking+at+low+velocities.">Free collisions in a micro-gravity many-particle experiment. I. Dust aggregate sticking at low velocities.</a> Icarus. 218, 688-700 (2012).</li><li>Blum, J., Beitz, E., Bukhari, M., Gundlach, B., Hagemann, J. -. H., Hei&#223;elmann, D., Kothe, S., Schr&#228;pler, R., von Borstel, I., Weidling, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laboratory+drop+towers+for+the+experimental+simulation+of+dust-aggregate+collisions+in+the+early+solar+system.">Laboratory drop towers for the experimental simulation of dust-aggregate collisions in the early solar system.</a> Journal of Visualized Experiments (JoVE). (88), e51541 (2014).</li><li>Poppe, T., Schr&#228;pler, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Further+experiments+on+collisional+tribocharging+of+cosmic+grains.">Further experiments on collisional tribocharging of cosmic grains.</a> Astronomy &amp; Astrophysics. 438, 1-9 (2005).</li><li>Reddy, V., Sanchez, J. A., Nathues, A., Moskovitz, N. A., Li, J. -. Y., Cloutis, E. A., Archer, K., Tucker, R. A., Gaffey, M. J., Mann, J. P., Sierks, H., Schade, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photometric+spectral+phase+and+temperature+effects+on+Vesta+and+HED+meteorites:+Implications+for+Dawn+mission.">Photometric spectral phase and temperature effects on Vesta and HED meteorites: Implications for Dawn mission.</a> Icarus. 217, 153-168 (2012).</li><li>Gehrels, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Minor+planets.+I.+The+rotation+of+Vesta.+Photometric+studies+of+asteroids.">Minor planets. I. The rotation of Vesta. Photometric studies of asteroids.</a> Astronomical Journal. 72, 929-938 (1967).</li><li>Bertini, I., La Forgia, F., Tubiana, C., G&#252;ttler, C., Fulle, M., Moreno, F., Frattin, E., Kovacs, G., Pajola, M., Sierks, H., Barbieri, C., Lamy, P., Rodrigo, R., Koschny, D., Rickman, H., Keller, H. U., Agarwal, J., A&#39;Hearn, M. F., Barucci, M. A., Bertaux, J. -. L., Bodewits, D., Cremonese, G., Da Deppo, V., Davidsson, B., Debei, S., De Cecco, M., Drolshagen, E., Ferrari, S., Ferri, F., Fornasier, S., Gicquel, A., Groussin, O., Gutierrez, P. J., Hasselmann, P. H., Hviid, S. F., Ip, W. -. H., Jorda, L., Knollenberg, J., Kramm, J. R., K&#252;hrt, E., K&#252;ppers, M., Lara, L. M., Lazzarin, M., Lin, Z. -. Y., Lopez Moreno, J. J., Lucchetti, A., Marzari, F., Massironi, M., Mottola, S., Naletto, G., Oklay, N., Ott, T., Penasa, L., Thomas, N., Vincent, J. -. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+scattering+phase+function+of+comet+67P/Churyumov-Gerasimenko+coma+as+seen+from+the+Rosetta/OSIRIS+instrument.">The scattering phase function of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko coma as seen from the Rosetta/OSIRIS instrument.</a> Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 469, 404-415 (2017).</li></ol>

Авторам нечего раскрывать.

Экспериментальные, теоретические и вычислительные методы были представлены для рассеяния света дискретными случайными носителями частиц. Экспериментальные методы были использованы для проверки основных концепций в теоретических и вычислительных методов. Последние методы были успешно применены в интерпретации астрономических наблюдений астероида (4) Весты и кометы 67P/Чурюмова-Герасименко.
Экспериментальный рассечтометр опирается на ультрасонически контролируемую левитацию образцов, которая позволяет измерения меллер-матрицы для выборочного агрегата в желаемой ориентации. Агрегат может быть повторно использован в измерениях, так как можно сохранить агрегат после каждого набора измерений. Это первый случай, когда такие бесконтактные, неразрушающие измерения рассеяния проводятся на образце под полным контролем.
Теоретические и вычислительные методы опираются на так называемые некогерентные процессы рассеяния, поглощения и вымирания в случайных носителях. В то время как точные электромагнитные взаимодействия всегда происходят последовательно, в пределах бесконечной случайной среды после усреднения конфигурации, только бессвязные взаимодействия остаются между элементами объема частиц. В настоящей работе бессвязные взаимодействия между этими элементами точно учитываются с помощью уравнений Максвелла: после вычитания когерентных полей из полей в свободном пространстве, это некогерентные поля в пределах случайной среды, которые остаются. Обработка в настоящее время была сделана к своей полной строгости в что взаимодействия, также, как вымирание, рассеяние, и коэффициенты поглощения средств, выведены в рамках некогерентных взаимодействий. Кроме того, было показано, что учет когерентного воздействия поля на интерфейс между свободным пространством и случайной средой приводит к успешному общему лечению ограниченной случайной среды.
Применение теоретических и вычислительных методов было проиллюстрировано для экспериментальных измерений сферического агрегата сферического образца мм, состоящего из субмикроновых частиц SiO2. Приложение недвусмысленно показывает, что агрегат выборки должен состоять из распределения частиц с различными размерами, а не состоять из равновесных сферических частиц. Этот результат может иметь далеко идущие последствия для характеристики случайных носителей: вполне вероятно, что средства массовой информации значительно более сложны, чем то, что было выведено ранее с использованием современных методов характеристик.
Синоптическая интерпретация спектра для астероида (4) Веста через видимые и ближнего инфракрасного длины волн, а также фотометрические и поляриметрические кривые Весты на длине волны 0,45 мкм показывает, что целесообразно использовать численные методы в ограничении минеральных композиций, распределения размеров частиц, а также плотности объема реголита от удаленных астрономических наблюдений. Такие извлечения еще больше усиливаются одновременной интерпретацией кривых фотометрической фазы кометы 67P/Чурюмова-Герасименко относительно ее комы и ядра. Наконец, реалистичное моделирование кривой поляриметрической фазы 67P было получено20. Существуют значительные перспективы в будущем при применении нынешних методов в интерпретации наблюдений объектов Солнечной системы в целом.
Перспективы нынешнего комбинированного экспериментального и теоретического подхода имеются и на будущее. Поскольку очень трудно точно охарактеризовать случайные носители, состоящие из неоднородности в субволновой длине, контролируемые измерения Матрицы Мюллера могут предложить инструмент для получения информации о плотности объема и распределении размеров частиц в среды. Количественная инверсия этих физических параметров облегчается новыми численными методами.

Астероиды, кометные ядра и безвоздушные объекты Солнечной системы в целом покрыты планетарными реготами, рыхлыми слоями частиц разного размера, формы и состава. Для этих объектов два вездесущих астрономических явления наблюдаются под небольшими углами солнечной фазы (угол Солнца-объекта-наблюдателя). Во-первых, яркость рассеянного света в астрономической шкале величины наблюдается, чтобы увеличить нелинейно к нулевой фазе угол, обычно называемый эффект оппозиции1,2. Во-вторых, рассеянный свет частично линейно поляризован параллельно плоскости рассеяния (плоскость солнечного объекта-наблюдателя), обычно называемой отрицательной поляризизацией3. Явления не имеют количественного толкования с конца 19-го века для эффекта оппозиции и с начала 20-го века для отрицательной поляризации. Их правильное толкование является необходимым условием количественной интерпретации фотометрических, поляриметрических и спектрометрических наблюдений безвоздушных объектов, а также рассеяния радаров с их поверхностей.
Было предложено4,5,6 ,7, что последовательный механизм рассеяния (CBM) в нескольких рассеяния, по крайней мере частично отвечает за астрономические явления. В КДМ частичные волны, взаимодействующие с теми же рассеянием в противоположном порядке, всегда конструктивно вмешиваются в точное направление рассеяния. Это связано с совпадающими оптическими путями взаимных волн. В других направлениях, вмешательство варьируется от разрушительного к конструктивному. Конфигурационное усреднение в дискретной случайной среде частиц приводит к усилению рассеяния. Что касается линейной поляризации, То, что МД является избирательным и приводит к отрицательной поляризации в случае положительной поляризации разъемов, общей характеристикой в одиночном рассеянии (ср. Рассеяние Рейли, отражение Френеля).
Рассеяние и поглощение электромагнитных волн (света) в макроскопической случайной среде микроскопических частиц представляет собой открытую вычислительную проблему в планетарной астрофизике8,9. Как показано выше, это привело к отсутствию количественных обратных методов интерпретации наземных и космических наблюдений объектов Солнечной системы. В настоящей рукописи представлены новые методы преодоления разрыва между наблюдениями и их моделированием.
Экспериментальные измерения рассеяния по малой частичке образца в контролируемом положении и ориентации (шесть степеней свободы) остаются открытыми. Характеристики рассеяния для отдельных частиц ранее измерялись как средние значения ансамбля по размеру, форме и распределению ориентации10 путем введения потока частиц через объем измерения. Разрозненные характеристики для отдельных частиц при левитации были выполнены с использованием, например, электродинамической левитации11 и оптических пинцетов12,13,14. В настоящей рукописи, новый экспериментальный метод, основанный на ультразвуковой левитации с полным контролем образца позиции и ориентации предлагается15.
В настоящей рукописи кратко излагаются выводы проекта, финансируемого в течение пяти лет в 2013-2018 годах Европейским исследовательским советом (ERC): рассеяние и поглощение электромагнитных волн в particuLate Media (SAEMPL, ERC Advanced Grant). SAEMPL удалось выполнить свои три основные цели: во-первых, новые численные методы Монте-Карло были получены для рассеяния дискретными случайными носителями плотно упакованных частиц16,17,18; во-вторых, была разработана и построена новая экспериментальная аппаратура для контролируемых лабораторных измерений проб валидации в левитации15; в-третьих, численные и экспериментальные методы были применены для интерпретации астрономических наблюдений19,20.
Далее подробно описаны протоколы использования экспериментального рассеянного трубопровода для измерений, соответствующего вычислительного конвейера, а также трубопроводов приложений. Вычислительный конвейер состоит из программного обеспечения для асимметричных точных вычислений в случае конечных систем частиц (Superposition T-Matrix Method STMM21 и Volume Integral Equation Method VIEM22) и приблизительных вычисления для asymptotically бесконечные случайные носители частиц используя множественные методы рассеяния (SIRIS23,24, Радиационный переход с когерентной Backscattering RT-CB8,9,и Радиативная передача с взаимными транзакциями R2T216,17,18). Экспериментальный трубопровод включает в себя подготовку, хранение и использование образцов, их левитации в объеме измерения, а также выполнение фактического измерения рассеяния по диапазону разносторонних углов с различными поляризаторами Конфигурации. Трубопровод применения касается использования вычислительных и экспериментальных трубопроводов для интерпретации астрономических наблюдений или экспериментальных измерений.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>10GL08</td>
			<td>Newport</td>
			<td></td>
			<td>Calcite polarizer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>12X Zoom Body Tube 1-50487AD</td>
			<td>Navitar</td>
			<td></td>
			<td>Microscope objective</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>43-412-000</td>
			<td>Edmund optics</td>
			<td></td>
			<td>Optical flat</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8MPR16-1</td>
			<td>Standa</td>
			<td></td>
			<td>Motorized Polarizer Rotator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8MRB240-152-59D</td>
			<td>Standa</td>
			<td></td>
			<td>Rotation stage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8SMC5-ETHERNET</td>
			<td>Standa</td>
			<td></td>
			<td>Motor controller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digi-pas DWL3500XY</td>
			<td>Digi-pas</td>
			<td></td>
			<td>Digital 2-axis level</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMT 65-D25-HiDS</td>
			<td>Owis</td>
			<td></td>
			<td>Optics rotation stage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EQ-99 LDLS</td>
			<td>Energetiq</td>
			<td></td>
			<td>Light source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FL488-10</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td></td>
			<td>Laser line filter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IBM 65-D0-35-HiDS</td>
			<td>Owis</td>
			<td></td>
			<td>Motorized iris shutter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LPVISE100-A</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td></td>
			<td>Film polarizer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>microPMT H12403-01</td>
			<td>Hamamatsu</td>
			<td></td>
			<td>Photomultiplier tube</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NI PXIe-5171R</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Digital oscilloscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NI PXIe-8880</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>PXIe chassis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phantom v611</td>
			<td>Vision Research</td>
			<td></td>
			<td>High speed camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PS 10-32-DC</td>
			<td>Owis</td>
			<td></td>
			<td>Motor controller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RC08FC-P01</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td></td>
			<td>Fiber collimator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SET-NDF-D22-G25</td>
			<td>Owis</td>
			<td></td>
			<td>Neutral density filter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TIA60</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td></td>
			<td>PMT amplifier</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

scattering and absorption of light in planetary regoliths

Теоретические, численные и экспериментальные методы представлены для многократного рассеяния света в макроскопических дискретных случайных носителях плотно упакованных микроскопических частиц. Теоретические и численные методы составляют основу Радиационного перевода с помощью взаимных транзакций (R2T2). Рамка R2T2 предполагает отслеживание времени разброса взаимодействий в частотном пространстве, предполагая, что фундаментальные рассеяния и амортизаторы представляют собой элементы объема длины волны, состоящие из большого количества случайных распределенных частиц. Дискретные случайные носители полностью упакованы с элементами громкости. Для сферических и несферических частиц взаимодействия внутри элементов объема вычисляются именно с помощью метода Superposition T-Matrix (STMM) и метода интегрального уравнения объема (VIEM), соответственно. Для обоих типов частиц взаимодействия между различными элементами объема вычисляются именно с помощью STMM. Поскольку отслеживание происходит в дискретных случайных носителях, используются некогерентные электромагнитные поля, то есть когерентное поле элементов объема удаляется из взаимодействий. Экспериментальные методы основаны на акустической левитации образцов для бесконтактных, неразрушающих измерений рассеяния. Левитация предполагает полный ультразвуковой контроль положения и ориентации образца, то есть шесть степеней свободы. Источник света является лазерным источником белого света с монохроматором и поляризатором. Детектор представляет собой мини-фотомультипликатор нуючку на вращающемся колесе, оснащенную поляризаторами. R2T2 проверяется с помощью измерений для мм-шкалы сферического образца плотно упакованных частиц кремнезема. После проверки применяются методы интерпретации астрономических наблюдений для астероида (4) Весты и кометы 67P/Чурюмова-Герасименко(рисунок1), недавно посетившего миссию НАСА Dawn и миссию EsA Rosetta, соответственно.

Watch this Scientific Journal Video about Scattering And Absorption of Light in Planetary Regoliths at JoVE.com

Scattering And Absorption of Light in Planetary Regoliths

Численные и экспериментальные методы представлены для многократного рассеяния света в дискретных случайных носителях плотно упакованных частиц. Методы используются для интерпретации наблюдений астероида (4) Весты и кометы 67P/Чурюмова-Герасименко.

Рассеяние и поглощение света в планетарных реготам

Theoretical, numerical, and experimental methods are presented for multiple scattering of light in macroscopic discrete random media of densely-packed ...

Методы в этом протоколе могут помочь решить открытую вычислительную проблему рассеяния света планетарными реголитами, плотно упакованными слоями частиц на поверхностях астероидов, проходят через ядра и другие объекты Солнечной системы. Для проверки вычислений мы вводим уникальные бесконтактные и неразрушающие измерения на основе ультразвуковой левитации образца. Мы полностью контролируем положение и ориентацию выборки.Здесь мы применяем проверенные вычислительные методы для интерпретации наблюдений астероидов 4 Веста и 67P/Чурюмова-Герасименко. Вычислительные и экспериментальные методы универсальны и могут применяться, например, в наземном дистанционном зондировании, наномасштабных материальных науках и биомедицинской оптике. Использование этих методов требует терпения.Однако эти усилия окупаются в связи с абсолютным и количественным характером результата. Визуальная демонстрация методов имеет решающее значение. Экспериментальная часть, показанная в этом видео, сочетает в себе самые лучшие техники как в оптике, так и в акустике.Демонстрацией процедуры будут д-р Антти Пенттила, г-жа Джулия Мартикайнен, г-н Петтери Хеландер, г-н Горан Макони и г-н Тимо Вайсанен. Для начала навелит scatterometer, включив источник света, фото множитель труб и усилителей. Позвольте системе стабилизироваться в течение 30 минут.Затем найте акустический образец левитатора, вставив микрофон в центр левитатора и запуская сценарий калибровки. Затем сделайте развертку измерения с пустым левитатором. Развертки показывает любые сигналы, порожденные окружающим светом, отражения от окружающей среды или электрических шумов.После установки используйте акустически прозрачную сетчатую ложку для введения образца в акустический левитатор. Используя видеокамеру и оптику высокого увеличения, проинспектировать ориентацию и стабильность образца до и после рассеивания измерений. Прочность и ассиметрия акустической ловушки оптимизированы для максимальной стабильности образца.Следовательно, акустическая мощность устанавливается как можно меньше. Если образец асимметричен, поверните его вокруг вертикальной оси, чтобы получить информацию о его форме. Выполните вращение, медленно изменяя выравнивание акустической ловушки.При визуализации примените дополнительное освещение для улучшения качества изображения. Затем закройте измерительные камеры, чтобы заблокировать внешний свет. Используя компьютерный интерфейс, выберите ориентацию образца, а также угловое разрешение и диапазон измерения.Входящий и рассеянный свет фильтруются линейными поляризаторами, которые моторизованы. Вы запустите автоматизированную развертку измерения. Это будет измерять четыре точки для каждого угла с поляризатором ориентации горизонтально-горизонтальной, горизонтально-вертикальной, вертикально-вертикальной и вертикально-горизонтальной.Восстановите образец после измерения, выключив акустическое поле и позволив образцу упасть на акустически прозрачную ткань. Затем выполнить еще одно измерение развертки с пустым левитатором для обнаружения любых возможных дрейфующих из-за условий окружающего света. По его завершения сохраните данные.Проанализируйте данные для расчета элементов матрицы Мюллера для каждого угла через линейное сочетание интенсивности при различных поляризациях. Чтобы начать моделирование, используйте доступ SSH для подключения к CSC IT-центр для науки ограниченного кластера Taito. Загрузите и компилировать все необходимые программы, которые предварительно настроены для Taito, запуская bash compile.sh.Затем откройте текстовый редактор Nano и навелите параметры для одного рассеянного элемента, элемента громкости и изучаемого образца, чтобы соответствовать изучаемому образцу путем изменения файла PARAMS. Затем запустите конвейер, выполняя команду bash run.sh. После завершения, напишите полную матрицу Мюллера образца в папку temp как final.out.Используйте Siris4 для вычисления свойств рассеяния частиц говардита, сначала перемещая файлов Siris4 в ту же папку с файлом ввода и файлом матрицы P. Затем скопировать input_1. в и pmatrix_1.из тестовой папки. В input_1. в, установить количество лучей до двух миллионов, количество частиц образца до 1000, стандартное отклонение радиуса до 0,17, и индекс закона власти корреляции функции до трех.Затем установите реальную часть рефракционного индекса до 1,8 и используйте воображаемую часть рефракционного индекса n, как описано в текстовом протоколе. Затем запустите Siris4, выполняя команду, показанную здесь для каждой длины волны от 0,4 до 2,5 микрон, используя диапазон размеров от 10 до 200 микрон в диаметре с этапом отбора проб 10 микрон. Далее сохраните каждую вычисленную матрицу фазы рассеяния p в pmatrix_x.в файле. X в имя файла описывает число длины волны и колеблется от одного до 43 для каждого размера частицы. Файл будет содержать углы рассеяния, а также элементы матрицы рассеяния P11, P12, P22, P33, P34 и P44 для одной длины волны и размера частиц.Среднее полученное рассеяние матриц, одно рассеяние Albedos, и означает свободные пути над распределением размера закона власти с индексом 3.2. Используйте диффузные рассеяния внутри объема размером с Весту с рефракционным индексом одного. В файле ввода используйте средний одиночный рассеяние Albedos и средние длины свободного пути для внутренних рассеяний.Затем запустите Siris4 на каждой длине волны, выполняя команду, показанную здесь, где x является длиной волны. Код считывает усредненные матрицы рассеяния в качестве входных данных для внутренних рассеянных рассеяний. Масштаб Весты наблюдается спектры геометрического значения Альбедо 0,42327 на 0,55 микрон.Чтобы получить до 17,4 градуса, применить коэффициент 0,491 на масштабируемых спектров. Сравните как моделируется, так и наблюдаемые спектры по всему диапазону длин волн. Начните с загрузки исходных файлов с Git и переместите файлы в загруженный каталог CD protocol4b.Далее, скачать и собрать все необходимые программы, вытехав баш compile.sh. Когда вы будете готовы, скопировать усредненную матрицу рассеяния входных данных, а также матрицу рассеяния амплитуды в текущий рабочий каталог. Затем откройте текстовый редактор Nano и измените файл PARAMS, чтобы установить нужные параметры.Запустите конвейер, выполняя bash run.sh. Затем напишите полную матрицу Мюллера в папку temp как rtcb.out. Начните с MATLAB и запустите режим усреднения powerlaw_ave.м, чтобы усредить результаты по распределению размера закона власти индекса минус три после расчета функций фазы комы от решатера Siris4. Ожидаемые рутинные выходы pmatrix2. в, Альбедо и средний свободный путь.Затем установите результаты выходов Albedo и средний свободный путь в вход. в файле. Установите размер до одного миллиарда и установите индекс закона силы функции корреляции для формы до 2.5.Затем запустите Siris4 с помощью командной строки, показанной здесь, чтобы получить функцию фазы ядра. С Siris4 были решены и усреднены свойства рассеяния 100 000 агрегатов. Эти результаты построены здесь, показывая экспериментальные измерения и дополнительное моделирование без эффективной среды.Оба варианта распределения частиц соответствовали измеренной фазовой функции, хотя и приводят к различным характеристикам поляризации. Эти различия могут быть использованы для определения основного распределения частиц в образце. Лучший выбор заключается в использовании усеченного нормального распределения вместо равноумных частиц.Если используются только нормализованные фазовые функции, то эти два распределения дают неразличимые результаты. Для деполяризации числовые результаты имеют характеристики, аналогичные измеренной кривой, но функции сдвигаются на 10 градусов в сторону отката. Различия в поляризации указывают на то, что выборка, по-видимому, имеет более сложную структуру, чем однородная модель.Это, однако, выходит за рамки существующих микроскопических методов для характеристики образца, чтобы получить истинную структуру агрегата. Здесь фотометрическая кривая фазы сопровождалась линейной зависимостью от величины, имитируя эффект затенения в плотно упакованном высоком альбедо-реголите. Модель успешно объясняет наблюдаемые фотометрические и поляриметрические фазы кривых и предлагает реалистичный прогноз для максимальной поляризации.Поразительно, как минутная доля популяции мелких частиц способна завершить объяснение фазных кривых. При проведении этого эксперимента ультразвуковая левитация образца является ключом к успешным измерениям рассеяния. В вычислительной части необходима бессвязная обработка рассеяния в среде частиц.В будущем мы планируем распространить экспериментальные методы как на большие, так и на меньшие образцы, достигаемые сантиметровых и микрометровых масштабов. В настоящее время мы разрабатываем способы использования полного ультразвукового контроля образцов в микроскопах. Примите соответствующие меры предосторожности при выполнении этого протокола в качестве мощного ультразвука и источников света используются в этих измерениях.

Research

JoVE Journal

Engineering

Measuring Spatially- and Directionally-varying Light Scattering from Biological Material

Измерение пространственных и направлению изменяющейся рассеянию света из биологического материала

Light interacts with an organism's integument on a variety of spatial scales. For example in an iridescent bird: nano-scale structures produce color; the ...

Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory

Моделирование Планетарного внутренних процессов дифференцировки в лаборатории

A planetary interior is under high-pressure and high-temperature conditions and it has a layered structure. There are two important processes that led to ...

Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators

Real-Time DC-динамичный Смещение Метод коммутации Улучшение времени в строго Underdamped окантовкой поля электростатических MEMS приводов

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input ...

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Измерение рассеяния нелинейности из Единого Плазмонное наночастицы

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Печать Изготовление Bulk гетероперехода солнечных элементов и<em&gt; В Ситу</em&gt; Морфология характеристика

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Free-form Light Actuators ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã¢â‚¬Â Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Свободной формы Легкие Приводы - изготовление и контроль Срабатывание в микроскопическом масштабе

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

Stimulated Stokes and Antistokes Raman Scattering in Microspherical Whispering Gallery Mode Resonators

Вынужденное Стокса и антистоксовом комбинационного рассеяния света в микросферических Whispering Режим галереи резонаторы

Dielectric microspheres can confine light and sound for a length of time through high quality factor whispering gallery modes (WGM). Glass microspheres ...

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Scanning Light Scattering Profiler SLPS Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Методика сканирования сканирующего рассеивателя света (SLPS) для количественной оценки рассеяния вперед и назад с помощью интраокулярных линз

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light ...