Light scattering in random media with wavelength-scale structures : astronomical and industrial applications

Light scattering, or scattering and absorption of electromagnetic waves, is an important tool in all remote-sensing observations. In astronomy, the light scattered or absorbed by a distant object can be the only source of information. In Solar-system studies, the light-scattering methods are employed when interpreting observations of atmosphereless bodies such as asteroids, atmospheres of planets, and cometary or interplanetary dust. Our Earth is constantly monitored from artificial satellites at different wavelengths. With remote sensing of Earth the light-scattering methods are not the only source of information: there is always the possibility to make in situ measurements. The satellite-based remote sensing is, however, superior in the sense of speed and coverage if only the scattered signal can be reliably interpreted. The optical properties of many industrial products play a key role in their quality. Especially for products such as paint and paper, the ability to obscure the background and to reflect light is of utmost importance. High-grade papers are evaluated based on their brightness, opacity, color, and gloss. In product development, there is a need for computer-based simulation methods that could predict the optical properties and, therefore, could be used in optimizing the quality while reducing the material costs. With paper, for instance, pilot experiments with an actual paper machine can be very time- and resource-consuming. The light-scattering methods presented in this thesis solve rigorously the interaction of light and material with wavelength-scale structures. These methods are computationally demanding, thus the speed and accuracy of the methods play a key role. Different implementations of the discrete-dipole approximation are compared in the thesis and the results provide practical guidelines in choosing a suitable code. In addition, a novel method is presented for the numerical computations of orientation-averaged light-scattering properties of a particle, and the method is compared against existing techniques. Simulation of light scattering for various targets and the possible problems arising from the finite size of the model target are discussed in the thesis. Scattering by single particles and small clusters is considered, as well as scattering in particulate media, and scattering in continuous media with porosity or surface roughness. Various techniques for modeling the scattering media are presented and the results are applied to optimizing the structure of paper. However, the same methods can be applied in light-scattering studies of Solar-system regoliths or cometary dust, or in any remote-sensing problem involving light scattering in random media with wavelength-scale structures.

Valon sirontaa, tai yleisemmin elektromagneettisen säteilyn sirontaa, nähdään kaikissa kaukokartoitushavainnoissa. Tähtitieteessä kaukaisista kohteista sironnut tai niihin absorpoitunut valo voi olla ainoa niistä saatava informaatio. Aurinkokunnan tutkimuksessa valonsirontamenetelmiä käytetään tulkittaessa havaintoja ilmakehättömistä kappaleista kuten asteroideista, planeettojen ilmakehistä, komeettapölystä ja planeettojen välisestä pölystä. Omaa maapalloamme havainnoidaan joka hetki useista satelliiteista. Maassa mittauksia voidaan suorittaa myös paikan päällä, mutta satelliiteista tehtävä kaukokartoitus tarjoaa ylivoimaisen nopean ja kattavan menetelmän, kunhan signaalia osataan luotettavasti tulkita. Monien teollisten tuotteiden optiset ominaisuudet ovat tärkeitä niiden laadulle. Eteenkin maalin ja paperin kaltaisille tuotteille niiden kyky heijastaa valoa on tärkeää. Korkealaatuiset paperit arvioidaan niiden kirkkauden, värin ja kiillon mukaan. Tuotekehityksessä tarvittaisiin tietokonesimulaatioihin perustuvia menetelmiä joilla optisia ominaisuuksia voitaisiin ennustaa, ja siten parantaa laatua pienemmillä materiaalikustannuksilla. Esimerkiksi paperikoneella tehtävät kokeet voivat olla hitaita ja kalliita. Väitöskirjassa esitetyt valonsirontamenetelmät pystyvät ratkaisemaan tarkasti valon ja aallonpituusluokan rakennetta omaavan materiaalin vuorovaikutuksen. Menetelmät ovat laskennallisesti raskaita, joten nopeus ja tarkkuus ovat tärkeitä. Ns. discrete-dipole approximation menetelmän eri toteutuksia vertaillaan tässä väitöskirjassa, ja tulokset antavat käytännön ohjenuoran sopivan ohjelmiston valintaan. Lisäksi esitellään uusi menetelmä partikkelin valonsironnan numeeriseen orientaatio-keskiarvoistukseen, ja sitä verrataan muihin tekniikoihin. Väitöskirjassa käsitellään sirottavan aineen mallinnusta, ja tuloksia käytetään paperin rakenteen optimointiin. Samoja menetelmiä voidaan käyttää myös Aurinkokunnan regoliitin tai komeettapölyn valonsirontatutkimuksessa, samoin kuin missä tahansa muussa kaukokartoitusongelmassa jossa sirontaa tapahtuu satunnaisessa väliaineessa jossa on aallonpituusluokan rakennetta.