Use of the Resonance Structure of Mie Scattering for Refractive Index Estimation

Abstract

The Mie extinction for the scattering of infrared light of spherical particles shows both broad background oscillations and resonant structures. The resonance structure, also called ripples, is due to resonant electric and magnetic modes. In this thesis it was evaluated to what extent the ripples in the extinction efficiency can be used to estimate a dispersive real refractive index in the infrared region. In this context, approximation formulas that estimate the distance between ripples in the Mie extinction were of special interest. Different aspects, such as resolution, formula accuracy, resonance order, and resonance index were taken into account when evaluating these formulas. During the work with this thesis, it was observed that the resolution has a strong effect on the resonance structure. The resolution affects both the shape of the ripple structure, as well as the sharpness and number of visible peaks. It also determines whether first or higher order peaks cause the peaks in the ripple structure. Further, it was found that the choice of formula, for obtaining the best accuracy, depends on resolution.

SAMMENDRAG: Mie-ekstinsjonen til en sfærisk partikkel som blir truffet av infallende infrarødt lys, viser store underliggende oscillasjoner med en overlagret resonansstruktur. Denne resonansstrukturen kalles også ripples, og skyldes resonante elektriske og magnetiske moder. I denne oppgaven ble det evaluert i hvilken grad resonansstrukturen kan brukes til å estimere en dispersiv reell brytningsindeks i det infrarøde området. I den forbindelse var til nærmingsformler for beregning av avstanden mellom disse resonansene av spesiell interesse. Underveis i prosessen ble forskjellige aspekter som oppløsning, tilnærmingsformlene nøyaktighet og resonanseorden og indeks tatt i betrakting. I løpet av arbeidet med denne oppgaven ble det observert at oppløsningen har en sterk effekt på resonansstrukturen, både når det gjelder form, antall synlige topper og hvor skarpe toppene er. I tillegg har oppløsningen en effekt på hvilken orden det er på resonansene som er synlige i resonansstrukturen. Videre ble det funnet at oppløsningen har innvirkning på hvilken av tilnærmingsformlene for avstanden mellom toppene i resonansstrukturen som gir best resultat.