[논문 리뷰] User Guide for the Discrete Dipole Approximation Code DDSCAT 7.2

B. T. Draine, Piotr J. Flatau|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 15.

Microwave Imaging and Scattering Analysis참고 문헌 2인용 수 326

한 줄 요약

이 논문은 이산 분극 모형(DDA)을 사용하여 임의의 형상의 입자 및 주기적인 나노구조물의 전자기 산란 및 흡수를 계산하는 무료로 이용 가능한 오픈소스 Fortran-90 코드인 DDSCAT 7.2를 제시한다. 이는 크기 파라미터가 25 이하이고 굴절률이 1에 가까운 경우에 정확한 시뮬레이션을 가능하게 하며, MPI, OpenMP, MKL, 근접장 전기장 계산, 사용자 정의 기하구조 등의 고급 기능을 지원한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이산 분극 모형(DDA)을 구현한 오픈소스 코드인 DDSCAT 7.2를 위한 종합적인 사용자 가이드를 제공하는 것.
• 비균일하고 이방성 물질을 포함한 임의의 형상의 입자에 대한 산란 및 흡수를 고정밀도로 모델링할 수 있도록 하는 것.
• 플라스모닉스 및 메타물질과 관련된 구조적 물질으로 확장된 DDA를 활용한 1차원 및 2차원 나노구조물의 주기적 배열에 대한 시뮬레이션을 지원하는 것.
• MPI 및 OpenMP를 통한 병렬 처리를 통해 효율적인 계산을 가능하게 하고, Intel MKL과의 통합을 통해 선형 대수 연산을 최적화하는 것.
• 근접장 전기장 분포 계산에 대한 상세한 문서화를 제공하여 국소 전기장 증폭 및 복사력 분석을 위한 고급 분석을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• DDA는 대상 물체를 분극 가능 다이폴 모형의 격자로 분할하고, 공액 기울기 방법과 같은 반복적 해법을 사용하여 연립 다이폴 방정식을 해결한다.
• 반복적 해법에서 행렬-벡터 곱 연산을 가속화하기 위해 빠른 푸리에 변환(FFT)을 사용하여 계산 비용을 크게 감소시킨다.
• 주기적 구조물의 경우, 장거리 다이폴-다이폴 상호작용을 처리하기 위해 Ewald 합산 기법을 활용한 주기적 경계 조건(PBCs)을 도입한다.
• 근접장 전기장 분포는 사용자가 정의한 부피 내에서 계산하고 저장하며, 후처리를 위해 별도의 Fortran 유틸리티(readnf)를 제공한다.
• 입력 파일을 통해 다이폴 위치와 재질 조성을 지정함으로써 사용자 정의 기하구조를 지원하여 복잡한 형상의 유연한 모델링을 가능하게 한다.
• 방향 평균화를 통해 총 흡수 및 산란 단면적, Mueller 산란 행렬 원소, 복사력 등을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DDSCAT 7.2는 복잡한 굴절률을 가진 유한한 임의의 형상 입자에 대해 전자기 산란 및 흡수를 얼마나 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 대규모 시뮬레이션에서 MPI 및 OpenMP를 사용할 경우 DDSCAT 7.2의 성능 및 확장성은 어떠한가?
• RQ3 근접장 전기장 계산 기능이 나노구조물에서 국소 전자기 증폭 분석을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 DDSCAT 7.2의 DDA 구현은 나노구조물의 주기적 배열을 어떻게 처리하며, 수렴성에 있어 핵심적인 수치적 고려사항은 무엇인가?
• RQ5 DDSCAT 7.2 시뮬레이션에서 단정밀도 대비 双정밀도 산술을 사용할 경우의 계산 및 메모리 상호 교환 관계는 어떠한가?

주요 결과

• DDSCAT 7.2는 크기 파라미터가 25 이하이고 굴절률이 |m − 1| ≤ 2 범위 내에 있는 경우에 대해 정확한 전자기 산란 계산을 가능하게 한다.
• MPI, OpenMP 및 Intel MKL와의 통합을 통해 높은 성능을 달성하여 다중 코어 및 분산 메모리 시스템에서 효율적인 확장이 가능하다.
• FFT 기반 방법을 활용한 근접장 전기장 계산은 효율적으로 수행되며, readnf 유틸리티를 통해 후처리를 위해 결과가 저장된다.
• 구형, 실린더, 직육면체 및 사용자 정의 기하구조를 입력 파일을 통해 지정함으로써 다양한 대상 기하구조를 지원한다.
• 주기적 경계 조건의 구현을 통해 1차원 및 2차원 나노구조물 배열을 정확하게 모델링할 수 있으며, 장거리 상호작용에 대한 적절한 처리가 이루어진다.
• 컴파일, 구성 및 시뮬레이션 실행을 위한 상세한 지침이 제공되며, 매개변수 파일의 구조와 출력 해석 방법도 포함되어 있다.