Ljusspridningsteori

Ljusspridningsteori är den gren av fysik som behandlar hur elektromagnetisk strålning sprids när den möter materia. Den beskriver hur ljuset ändrar riktning, intensitet och polarization som funktion av partikelstorlek, form och materiell refraktivitet. Teorin bygger på lösningar av Maxwell-ekvationerna i närvaro av ett scattercentrum och används inom allt från atmosfärisk optik till biomedicin.

Analytiska lösningar finns för vissa enkla geometrier. Vid små partiklar relativt våglängden används Rayleigh-spridning, vilket ger svaga, ofta blåaktiga färgtoner och en stark beroende av vinkel. För sfäriska partiklar i ett brett storlekområde används Mie-teori, som ger komplexa vinkelmönster och resonanser beroende på storlek och refraktivt index.

För icke-sfäriska partiklar och mer komplexa medier används numeriska metoder som T-matrix-teori och diskret dipol-approximation (DDA). Dessa tillvägagångssätt kan hantera anisotropa och oregelbundna partiklar. I bredare sammanhang studeras även inelastisk spridning såsom Raman- och Brillouin-spridning, där ljuset ändrar frekvens.

Viktiga begrepp inkluderar differential spridningskorsning dσ/dΩ, som beskriver hur ljuset sprids i olika riktningar, samt fasfunktion och polarisationsändringar som kan beskrivas med Mueller-matrixen. Modellerna tar ofta hänsyn till refraktivindex kontrast mellan partikel och omgivning.

Användningar omfattar fjärranalys och atmosfärsforskning (till exempel aerosoler och LIDAR), turbid bildgivning och biomedicin (vätskor och vävnader). Begränsningar uppstår vid tät spridning där multipelspridning blir viktig och där förenklade modeller inte längre är tillämpliga.