Аналітично-числове дослідження електромагнітного розсіювання на частинках малого розміру

Автор(и)

  • Іван Болеста Львівський національний університет ім. І. Франка, Львів, Україна https://orcid.org/0000-0002-7580-3495
  • Антонина Демчук Львівський національний університет ім. І. Франка, Львів, Україна https://orcid.org/0000-0002-4006-0206
  • Михайло Андрійчук Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я. С. Підстригача НАН України; Національний університет “Львівська політехніка”, Україна https://orcid.org/0000-0001-9380-8807
  • Олексій Кушнір Львівський національний університет ім. І. Франка, Львів, Україна https://orcid.org/0000-0002-1393-7025
  • Богдан Горон Львівський національний університет ім. І. Франка, Львів, Україна https://orcid.org/0000-0002-4595-5789

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347023100011

Ключові слова:

електромагнітне розсіювання, метод дискретних диполів, асимптотичний метод, спектр екстинції, діаграма спрямованості, результати моделювання

Анотація

В статті задача електромагнітного (ЕМ) розсіювання на сукупності частинок малого розміру розв’язана з застосуванням методу дискретних диполів і асимптотичного методу. Спільність підходів дає можливість досліджувати характеристики розсіювання в субтерагерцовому діапазоні хвиль на металевих і діелектричних наночастинках. В обох випадках для визначення векторів електричного поля розв’язана допоміжна система лінійних алгебраїчних рівнянь (СЛАР), яка у випадку асимптотичного підходу має дещо меншу розмірність. Встановлено межі застосування асимптотичного підходу, які залежать від норми матриці допоміжної СЛАР. Числові розрахунки демонструють можливість отримання широких спектрів екстинкції і вузьких діаграм спрямованості (ДС).

Посилання

K. L. Kelly, E. Coronado, L. L. Zhao, G. C. Schatz, “The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape, and dielectric environment,” J. Phys. Chem. B, vol. 107, no. 3, pp. 668–677, 2003, doi: https://doi.org/10.1021/jp026731y.

M. Hu et al., “Gold nanostructures: engineering their plasmonic properties for biomedical applications,” Chem. Soc. Rev., vol. 35, no. 11, p. 1084, 2006, doi: https://doi.org/10.1039/b517615h.

A. I. Fernández-Domínguez, S. A. Maier, “New design principles for nanoplasmonics,” IEEE Photonics J., vol. 3, no. 2, pp. 284–287, 2011, doi: https://doi.org/10.1109/JPHOT.2011.2127469.

A. Mock, “Modal analysis of nanoplasmonic multilayer spherical resonators,” IEEE Photonics J., vol. 3, no. 4, pp. 765–776, 2011, doi: https://doi.org/10.1109/JPHOT.2011.2163388.

J. M. Fitzgerald, P. Narang, R. V. Craster, S. A. Maier, V. Giannini, “Quantum plasmonics,” Proc. IEEE, vol. 104, no. 12, pp. 2307–2322, 2016, doi: https://doi.org/10.1109/JPROC.2016.2584860.

V. Klimov, Nanoplasmonics. Boca Raton, FL: CRC Press, 2013, uri: https://www.routledge.com/Nanoplasmonics/Klimov/p/book/9789814267168.

D. Sarid, W. Challener, Modern Introduction to Surface Plasmons. Cambridge University Press, 2010, doi: https://doi.org/10.1017/CBO9781139194846.

S. A. Maier, Plasmonics: Fundamentals and Applications. New York, NY: Springer US, 2007, doi: https://doi.org/10.1007/0-387-37825-1.

R. Mittra, S. L. Ray, A. F. Peterson, Computational Methods for Electromagnetics. Wiley-IEEE Press, 1997, uri: https://www.wiley.com/en-us/Computational+Methods+for+Electromagnetics-p-9780780311220.

Y. Brick, A. Boag, “Multilevel nonuniform grid algorithm for acceleration of integral equation-based solvers for acoustic scattering,” IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, vol. 57, no. 1, pp. 262–273, 2010, doi: https://doi.org/10.1109/TUFFC.2010.1404.

Y. Lei, M. S. Haynes, D. Arumugam, C. Elachi, “A 2-D pseudospectral time-domain (PSTD) simulator for large-scale electromagnetic scattering and radar sounding applications,” IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., vol. 58, no. 6, pp. 4076–4098, 2020, doi: https://doi.org/10.1109/TGRS.2019.2960751.

P. W. Barber, S. C. Hill, Light Scattering by Particles: Computational Methods, vol. 2. Singapure: World Scientific, 1990, doi: https://doi.org/10.1142/0784.

R. Adelman, N. A. Gumerov, R. Duraiswami, “Computation of Galerkin double surface integrals in the 3-D boundary element method,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 64, no. 6, pp. 2389–2400, 2016, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2016.2546951.

M. Attia, M. Ney, T. Aguili, “A hybrid formulation of a frequency-domain TLM and integral equations field method,” IEEE Microw. Wirel. Components Lett., vol. 27, no. 10, pp. 867–869, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/LMWC.2017.2747131.

A. Ishimaru, Electromagnetic Wave Propagation, Radiation, and Scattering. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1991, uri: https://search.worldcat.org/title/Electromagnetic-wave-propagation-radiation-and-scattering/oclc/246564094.

D. R. Wilton, “Review of current status and trends in the use of integral equations in computational electromagnetics,” Electromagnetics, vol. 12, no. 3–4, pp. 287–341, 1992, doi: https://doi.org/10.1080/02726349208908318.

M. Hasanovic, C. Mei, J. R. Mautz, E. Arvas, “Scattering from 3-D inhomogeneous chiral bodies of arbitrary shape by the method of moments,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 6, pp. 1817–1825, 2007, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2007.898590.

A. G. Ramm, “Electromagnetic wave scattering by many small particles and creating materials with a desired permeability,” Prog. Electromagn. Res. M, vol. 14, pp. 193–206, 2010, doi: https://doi.org/10.2528/PIERM10091603.

H. C. van de Hulst, Light Scattering by Small Particles. New York-London: John Wiley and Sons, Chapman and Hall, 1957.

J. I. Hage, J. M. Greenberg, R. T. Wang, “Scattering from arbitrarily shaped particles: theory and experiment,” Appl. Opt., vol. 30, no. 9, p. 1141, 1991, doi: https://doi.org/10.1364/AO.30.001141.

A. G. Ramm, M. I. Andriychuk, “Application of the asymptotic solution to EM field scattering problem for creation of media with prescribed permeability,” J. Appl. Math. Comput., vol. 45, no. 1–2, pp. 461–485, 2014, doi: https://doi.org/10.1007/s12190-013-0732-7.

E. M. Purcell, C. R. Pennypacker, “Scattering and absorption of light by nonspherical dielectric grains,” Astrophys. J., vol. 186, p. 705, 1973, doi: https://doi.org/10.1086/152538.

P. C. Chaumet, “The discrete dipole approximation: A review,” Mathematics, vol. 10, no. 17, p. 3049, 2022, doi: https://doi.org/10.3390/math10173049.

A. G. Ramm, Wave Scattering by Small Bodies of Arbitrary Shapes. Singapore: World Scientific, 2005, doi: https://doi.org/10.1142/5765.

A. V. Osipov, S. A. Tretyakov, Modern Electromagnetic Scattering Theory with Applications. Wiley, 2017, doi: https://doi.org/10.1002/9781119004639.

A. G. Ramm, “Electromagnetic wave scattering by small bodies,” Phys. Lett. A, vol. 372, no. 23, pp. 4298–4306, 2008, doi: https://doi.org/10.1016/j.physleta.2008.03.010.

G. A. Korn, T. M. Korn, Mathematical Handbook for Scientists and Engineers: Definitions, Theorems, and Formulas for Reference and Review. New York, NY: McGraw-Hill, 1961.

I. Bolesta, A. Demchuk, O. Kushnir, I. Kolych, “Calculation methods at the plasmonic. 2. Discrete-dipole approximation method,” Electron. Inf. Technol., vol. 10, p. 1, 2018, doi: https://doi.org/10.30970/eli.10.1.

I. Bolesta, A. Demchuk, O. Kushnir, “Calculation methods at the plasmonic. 3. Finite difference time domain,” Electron. Inf. Technol., vol. 11, p. 579, 2019, doi: https://doi.org/10.30970/eli.11.1.

H. Zhang, “Mesh generation for voxel -based objects,” West Virginia University Libraries, 2005.

A. Demchuk, I. Bolesta, O. Kushnir, I. Kolych, “The computational studies of plasmon interaction,” Nanoscale Res. Lett., vol. 12, no. 1, p. 273, 2017, doi: https://doi.org/10.1186/s11671-017-2050-8.

Геометрія задачі розсіювання наночастинками

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-10-26 — Оновлено 2023-10-26

Як цитувати

Болеста, І., Демчук, А., Андрійчук, М., Кушнір, О., & Горон, Б. (2023). Аналітично-числове дослідження електромагнітного розсіювання на частинках малого розміру. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 66(10), 567–579. https://doi.org/10.20535/S0021347023100011

Номер

Том 66 № 10 (2023)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2023 Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.