[论文解读] 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 41

一句话总结

本论文介绍了 DDSCAT 7.1，这是一款免费的开源 Fortran-90 代码，采用离散偶极近似（DDA）计算任意形状粒子和周期性纳米结构的电磁散射与吸收。该软件可对尺寸参数高达 25 且折射率接近 1 的目标实现高精度模拟，支持 MPI、OpenMP 和 MKL 以实现高性能计算，具备处理复杂几何结构、各向异性材料以及通过 DDfield 后处理程序计算近场电场与磁场的能力。

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 .

研究动机与目标

• 为 DDSCAT 7.1 提供全面的用户指南，这是一款实现离散偶极近似（DDA）以进行电磁散射计算的开源软件包。
• 实现对具有任意几何形状和复折射率的有限孤立目标及周期性纳米结构阵列的散射与吸收的高精度模拟。
• 支持高级计算功能，如 MPI 并行化、OpenMP 线程化以及与 Intel MKL 的集成，以实现性能优化。
• 通过 DDfield 后处理程序实现近场电场与磁场计算，以实现对目标周围 E 场和 B 场的详细分析。
• 协助研究人员为多种粒子形状（包括椭球体、圆柱体、平板和多球构型）设置并运行模拟，涵盖各向同性和各向异性材料。

提出的方法

• 离散偶极近似（DDA）将目标离散化为极化偶极子的晶格，通过共轭梯度法等迭代求解器求解耦合偶极子方程。
• 该代码使用快速傅里叶变换（FFTs）加速迭代求解过程中的矩阵-向量乘积，支持多种 FFT 库（如 FFTW 和 Intel MKL）。
• 对于周期性结构，代码实现了 Ewald 求和方法，以处理一维和二维周期性阵列中的长程偶极-偶极相互作用。
• 用户通过参数文件（ddscat.par）定义目标几何形状与组成，指定偶极子位置、折射率和取向，内置例程支持常见形状（如椭球体、圆柱体和平板）。
• 通过入射波和目标取向的方位平均，计算总散射与吸收截面、穆勒散射矩阵元素以及辐射力。
• 通过 DDfield 代码实现后处理，可在目标内部及周围用户指定的位置计算电场与磁场分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在高性能、用户友好的软件包中有效实现离散偶极近似，以处理任意粒子几何形状？
• RQ2 使用 FFT、MPI、OpenMP 和优化数学库时，加速 DDA 模拟的最佳计算策略是什么？
• RQ3 DDSCAT 7.1 对尺寸参数高达 25 且折射率接近 1 的目标，在散射与吸收建模方面能达到多高的精度？
• RQ4 DDA 如何扩展以模拟周期性纳米结构阵列，包括近场增强效应？
• RQ5 用户如何高效生成复杂目标几何形状，并对随机取向或非随机取向的粒子执行方位平均？

主要发现

• DDSCAT 7.1 可对尺寸参数高达 25 且满足 |m−1| ≤ 2 的折射率条件的目标实现精确的电磁散射与吸收计算。
• 该代码支持通过 MPI 和 OpenMP 进行并行执行，并利用 Intel MKL 加速线性代数运算，在现代 HPC 系统上显著提升性能。
• DDfield 后处理程序的引入使得用户可在指定位置精确计算 E 场与 B 场，从而实现对纳米结构中场局域化与增强效应的分析。
• 该软件支持广泛的几何形状，包括椭球体、圆柱体、平板和多球构型，涵盖各向同性和各向异性材料。
• 通过 Ewald 求和方法，代码可正确模拟一维和二维周期性阵列的散射，支持光子带隙结构和表面等离子体共振的研究。
• 参数文件 ddscat.par 设计直观且自文档化，用户在初步熟悉后可无需查阅文档即可设置模拟。