Аналітично-числове дослідження електромагнітного розсіювання на частинках малого розміру

Іван Болеста; Антонина Демчук; Михайло Андрійчук; Олексій Кушнір; Богдан Горон

doi:10.20535/S0021347023100011

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.