[論文レビュー] User Guide for the Discrete Dipole Approximation Code DDSCAT 7.1

B. T. Draine, Piotr J. Flatau|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2010

Advanced Antenna and Metasurface Technologies参考文献 1被引用数 41

ひとこと要約

本稿では、任意の形状の粒子および周期的ナノ構造の電磁散乱および吸収を計算するために離散双極子近似（DDA）を用いる、自由に利用可能なオープンソースのFortran-90コードであるDDSCAT 7.1を提示する。このコードは、サイズパラメータが25未満で屈折率が1に近い場合に高精度なシミュレーションを可能にし、MPI、OpenMP、MKLをサポートして高性能コンピューティングを実現する。複雑な幾何形状、異方性材料、およびDDfield後処理を用いた近接場における電場および磁場計算に対応する。

ABSTRACT

DDSCAT 7.1 is an open-source Fortran-90 software package applying the discrete dipole approximation to calculate scattering and absorption of electromagnetic waves by targets with arbitrary geometries and complex refractive index. The targets may be isolated entities (e.g., dust particles), but may also be 1-d or 2-d periodic arrays of "target unit cells", allowing calculation of absorption, scattering, and electric fields around arrays of nanostructures. The theory of the DDA and its implementation in DDSCAT is presented in Draine (1988) and Draine & Flatau (1994), and its extension to periodic structures (and near-field calculations) in Draine & Flatau (2008). DDSCAT 7.1 includes support for MPI, OpenMP, and the Intel Math Kernel Library (MKL). DDSCAT supports calculations for a variety of target geometries. Target materials may be both inhomogeneous and anisotropic. It is straightforward for the user to "import" arbitrary target geometries into the code. DDSCAT automatically calculates total cross sections for absorption and scattering and selected elements of the Mueller scattering intensity matrix. This User Guide explains how to use DDSCAT 7.1 to carry out electromagnetic scattering calculations. DDfield, a Fortran-90 code to calculate E and B at user-selected locations near the target, is included in the distribution. A number of changes have been made since the last release, DDSCAT 7.0 .

研究の動機と目的

• DDSCAT 7.1の包括的なユーザーガイドを提供すること。DDSCAT 7.1は、電磁散乱計算に離散双極子近似（DDA）を実装したオープンソースのソフトウェアパッケージである。
• 任意の幾何形状および複素屈折率を有する有限で孤立した標的および周期的ナノ構造アレイの散乱および吸収を高精度にシミュレートすること。
• MPI並列処理、OpenMPスレーディング、Intel MKLとの統合を含む高度な計算機能をサポートすることにより、最適化されたパフォーマンスを実現すること。
• DDfield後処理を介して近接場の電場および磁場計算を容易にすることにより、標的に周囲のEおよびB場の詳細な分析を可能にすること。
• 楕円体、シリンダー、スラブ、マルチスフィア構成を含む多様な粒子形状に対して、等方性および異方性材料を用いたシミュレーションのセットアップおよび実行を研究者に支援すること。

提案手法

• 離散双極子近似（DDA）は、標的を極性を持つ双極子の格子に離散化し、共役勾配法などの反復解法を用いて結合双極子方程式を解く。
• 反復的解法プロセスにおける行列・ベクトル積を高速化するために、高速フーリエ変換（FFT）を用い、FFTWやIntel MKLを含む複数のFFTライブラリをサポートする。
• 周期的構造の場合、1次元および2次元周期的アレイにおける長距離双極子-双極子相互作用を処理するために、Ewald和の手法を実装する。
• ユーザーはパラメータファイル（ddscat.par）を用いて標的の幾何形状および組成を定義し、双極子の位置、屈折率、方位を指定する。また、楕円体、シリンダー、スラブなどの一般的な形状を扱うための組み込みルーチンを備える。
• コードは全散乱断面積および吸収断面積、ムーアの散乱行列要素、および入射波および標的の方位に関する平均化を介して放射力の計算を実行する。
• DDfieldコードを用いた後処理により、標的内部および周囲のユーザー指定の位置における電場および磁場分布の計算が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、任意の粒子形状を対象とする高パフォーマンスかつ使いやすいソフトウェアパッケージとして離散双極子近似を効果的に実装できるか？
• RQ2 FFT、MPI、OpenMP、最適化された数学ライブラリを用いたDDAシミュレーションの加速に最適な計算戦略は何か？
• RQ3 DDSCAT 7.1は、サイズパラメータが25未満で屈折率が1に近い標的に対し、どの程度の精度で散乱および吸収をモデル化できるか？
• RQ4 近接場の場強度増幅を含む、ナノ構造アレイのモデリングにDDAをどのように拡張できるか？
• RQ5 ユーザーは、ランダムに配向された粒子や非ランダムに配向された粒子に対して、効率的に複雑な標的形状を生成し、方位平均を実行するにはどうすればよいか？

主な発見

• DDSCAT 7.1は、サイズパラメータが25未満で屈折率が|m−1| ≤ 2を満たす標的に対し、高精度な電磁散乱および吸収計算を可能にする。
• MPIおよびOpenMPによる並列実行が可能であり、Intel MKLを活用して線形代数演算を最適化することで、現代のHPCシステムにおいて顕著なパフォーマンス向上が達成される。
• DDfield後処理の導入により、ユーザー指定の点におけるEおよびB場の詳細な計算が可能となり、ナノ構造における場の局在化および強度増幅の分析が可能になる。
• 楕円体、シリンダー、スラブ、マルチスフィア構成を含む広範な標的形状を、等方性および異方性材料と併せてサポートする。
• Ewald和を用いて1次元および2次元周期的アレイからの散乱を正しくモデル化し、フォトニクスバンド構造や表面プラズモン共鳴の研究を可能にする。
• パラメータファイルddscat.parは直感的かつ自己文書化されており、初期の慣れを経過した後は、ドキュメントをほとんど参照せずともシミュレーションのセットアップが可能になる。