[論文レビュー] User Guide for the Discrete Dipole Approximation Code DDSCAT 7.2

B. T. Draine, Piotr J. Flatau|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2012

Microwave Imaging and Scattering Analysis参考文献 2被引用数 326

ひとこと要約

本論文は、任意の形状の粒子および周期的ナノ構造の電磁界散乱および吸収を計算するための、Fortran-90で記述されたオープンソースのDDA（離散双極子近似）コードであるDDSCAT 7.2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、近似場の計算、ユーザー定義幾何形状といった高度な機能をサポートする。

ABSTRACT

DDSCAT 7.2 is a freely available open-source Fortran-90 software package applying the discrete dipole approximation (DDA) 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", which can be used to study absorption, scattering, and electric fields around arrays of nanostructures. The DDA approximates the target by an array of polarizable points. 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 in Draine & Flatau (2008). Efficient near-field calculations are enabled following Flatau & Draine (2012). DDSCAT 7.2 allows accurate calculations of electromagnetic scattering from targets with size parameters 2*pi*aeff/lambda < 25 provided the refractive index m is not large compared to unity (|m-1| < 2). DDSCAT 7.2 includes support for MPI, OpenMP, and the Intel Math Kernel Library (MKL). DDSCAT 7.2 supports calculations for a variety of target geometries (e.g., ellipsoids, regular tetrahedra, rectangular solids, finite cylinders, hexagonal prisms, etc.). Target materials may be both inhomogeneous and anisotropic. It is straightforward for the user to import new target geometries into the code. DDSCAT 7.2 calculates total cross sections for absorption and scattering and selected elements of the Mueller scattering intensity matrix for specified orientation of the target relative to the incident wave, and for specified scattering directions. DDSCAT 7.2 calculates E throughout a user-specified rectangular volume containing the target. A Fortran-90 code READNF to read E and P from files created by DDSCAT 7.2 is included in the distribution.

研究の動機と目的

• DDSCAT 7.2の包括的なユーザー・ガイドを提供し、電磁散乱計算に向けた離散双極子近似（DDA）を実装したオープンソースコードの利用を可能にする。
• 任意の形状の粒子、不均一および異方性材料の散乱および吸収を高精度でモデル化できるようにする。
• 1次元および2次元のナノ構造アレイのシミュレーションをサポートし、プラズモニクスおよびメタマテリアルに関連する構造的材料へのDDAの拡張を実現する。
• MPIおよびOpenMPによる並列化とIntel MKLとの統合を通じて、効率的な計算を促進する。
• 近似場の電場分布の計算に関する詳細なドキュメンテーションを提供し、局所的電場強化および放射力の高度な解析を可能にする。

提案手法

• DDAは、物体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連立双極子方程式を解く。
• 反復的解法における行列-ベクトル積の高速化のため、高速フーリエ変換（FFT）を採用し、計算コストを顕著に低減する。
• 周期的構造の場合は、長距離に及ぶ双極子-双極子相互作用を扱うために、Ewald和を用いた周期的境界条件（PBC）を組み込む。
• 近似場の電場分布は、ユーザーが指定した体積領域に計算・保存され、後処理用に別途提供されるFortranユーティリティ（readnf）が利用可能である。
• 入力ファイルにより双極子の位置と材料組成を指定することで、ユーザー定義の幾何形状を柔軟にモデル化できる。
• 全吸収断面積および散乱断面積、ムーアー散乱行列要素、方位平均を用いた放射力の計算を実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DDSCAT 7.2は、複雑な屈折率を有する有限サイズの任意形状粒子に対して、どの程度正確に電磁散乱および吸収をシミュレートできるか？
• RQ2 大規模シミュレーションにおいて、MPIおよびOpenMPを用いた場合のDDSCAT 7.2の性能およびスケーラビリティはいかがなものか？
• RQ3 近似場の電場計算が、ナノ構造材料における局所的電磁場強化の解析をどの程度向上させるか？
• RQ4 DDSCAT 7.2におけるDDAの実装は、ナノ構造アレイをどのように処理し、収束に向けた主な数値的考慮事項は何か？
• RQ5 DDSCAT 7.2シミュレーションにおいて、単精度と倍精度算術を用いる際の計算コストとメモリ使用量のトレードオフはどのようなものか？

主な発見

• DDSCAT 7.2は、サイズパラメータが25未満で、|m − 1| ≤ 2 である屈折率の範囲において、高精度な電磁散乱計算を可能にする。
• MPI、OpenMP、Intel MKLとの統合により高い性能を達成し、マルチコアおよび分散メモリシステムでも効率的なスケーリングを実現する。
• FFTを用いた方法により、近似場の電場分布が効率的に計算され、readnfユーティリティを介して後処理が可能にされている。
• 楕円体、円柱、長方形プリズム、および入力ファイルによるユーザー定義形状を含む広範な幾何形状をサポートする。
• 周期的境界条件の実装により、1次元および2次元のナノ構造アレイの正確なモデル化が可能となり、長距離相互作用の適切な取り扱いがなされている。
• コンパイル、設定、シミュレーション実行の詳細な手順、パラメータファイルの構造、出力の解釈に関するドキュメンテーションが提供されている。