[发明专利]球形金属纳米粒子消光、散射和吸收特性检测方法及系统

说明书

本发明属于计算机辅助设计技术领域，公开了一种球形金属纳米粒子消光、散射和吸收特性检测方法及系统，计算纳米粒子复折射率中实部折射率和虚部消光系数两组参数；计算Mie理论中an和bn两个关键Mie系数；计算纳米球形粒子的消光、散射和吸收效率，绘制出其在不同波长下的关系曲线；基于纳米球形粒子的消光、散射和吸收效率，绘制不同大小纳米球形粒子的理论消光、散射和吸收光谱图像。本发明利用MATLAB语言计算球形金属纳米粒子的消光、散射和吸收特性；非常方便的计算出不同粒径大小的纳米金球和纳米银球的消光、散射和吸收效率，同时得到an和bn两个关键系数，并且也获得不同粒子大小的理论消光、散射和吸收光谱图像。

技术领域

本发明属于计算机辅助设计技术领域，尤其涉及一种球形金属纳米粒子消光、散射和吸收特性检测方法及系统。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：基于电磁理论，Gustav Mie于1908年求得麦克斯韦方程组的严格数学解，该求解算法从而成为了经典的Mie theory(Mie理论)。由于应用Mie理论求解算法可以获得散射体的散射光谱和方位角分布函数等许多有规律的性质，在经过一个世纪的发展，目前已经广泛于大气气溶胶粒子理论、激光粒度分析技术、光镊和激光雷达探测等领域。

虽然Mie理论非常复杂，但国内外有很多的研究者一直在进行这方面的研究工作。Dave最早以大的水滴为分析目标，完成了比较完整的计算Mie散射系数的算法。但是该方法没有考虑复折射率的金属纳米粒子和不能应用到大尺度系数的情况中。后来，Wiscombe改进上述算法，详细讨论了循环次数等因素而得到了准确的结果,但是，该算法同样没有考虑复折射率大的金属纳米粒子。Lentz则采用连分式算法计算Mie散射系数，但是却需要以降低计算速度为代价来实现。对于具有复折射率特性的粒子，张杰等对大气中气溶胶粒子的散射光学特性进行了计算和分析，但未涉及金属纳米粒子的光散射特性分析。张和勇等抛弃传统的计算Mie散射系数的后向递推法和连分式法，利用Matlab内置命令集和函数集，对Mie散射系数进行了准确的计算，并例举和对比了几种复折射率粒子的Mie散射系数，对于随光波长变化的金属纳米粒子的Mie散射系数没有提及。张晓霞则计算了球形粒子的Mie散射效率极值和散射系数，对于纳米粒子的消光、散射和吸收特性并未进行详细的讨论。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)针对具有复折射率的金属纳米粒子，应用Mie理论计算其Mie散射系数，需要考虑其复折射率随光波长不同而发生变化的情况。

(2)基于Mie理论计算的Mie系数，如何计算出对应金属纳米球形粒子的消光、散射和吸收效率并绘制出其在不同波长下的关系曲线。

(3)在一定的粒子浓度下，如何计算出纳米球形粒子的理论消光、散射和吸收光谱图像。

解决上述技术问题的难度和意义：

目前，充分考虑金属纳米粒子所处介质环境、金属纳米粒子的复折射率随光波长不同而发生变化的情况和金属纳米粒子的尺度参数、金属纳米粒子浓度等所有重要参数的报道还没有出现。综合这些重要参数，对研究纳米粒子的散射过程和应用Mie理论指导纳米粒子表面修饰的实验研究具有重要意义。相比之前的这些算法，本算法重点讨论了球形金属纳米粒子的Mie系数计算过程，消光、散射和吸收效率的计算、以及纳米球形粒子的理论消光、散射和吸收光谱图像的绘制过程。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种球形金属纳米粒子消光、散射和吸收特性检测方法及系统。

本发明是这样实现的，一种球形金属纳米粒子消光、散射和吸收特性检测方法，所述球形金属纳米粒子消光、散射和吸收特性检测方法包括以下步骤：

步骤一，计算纳米粒子复折射率中实部折射率和虚部消光系数两组参数；

步骤二，计算Mie理论中an和bn两个关键Mie系数；