CC BY
92
УДК: 535.421
ОБЗОР КОММЕРЧЕСКИХ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФОТОННЫХ СТРУЙ
Игорь Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Олег Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Никита Анатольевич Харитошин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, тел. (952)940-84-49, e-mail: [email protected]
Приведен краткий анализ основных коммерческих программных продуктов применительно к проблеме моделирования фотонных струй.
Ключевые слова: фотонная струя, коммерческий программный продукт, моделирование.
REVIEW OF COMMERCIAL SOFTWARE FOR MODELING PHOTON JETS
Igor V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., doctor of technical sciences, professor of the department of metrology and optical technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Oleg V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., doctor of technical sciences, head of a department of metrology and optical technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Nikita A. Kharitoshin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., graduate student, tel. (952)940-84-49, e-mail: [email protected]
The short analysis of the main commercial software products in relation to a problem of modeling of photon streams is provided.
Key words: photonic jet, commercial software, modeling.
Анализ взаимодействия электромагнитных волн с (нано) цилиндрическими и сферическими частицами при помощи различных численных методов было предметом интенсивных исследований.
Методы полного моделирования волны обычно классифицируются на основе их метода решения: конечных элементов (FE), конечных разностей во временном интервале (FDTD), конечных интеграций техники (FIT) и интегральных уравнениях (IE), решаемых методом моментов (MoM).
В настоящее время доступны более 20 коммерческих пакетов программного обеспечения на основе различных численных методов. Известно, что первой компанией публично продавшей пакет программного обеспечения FDTD, была Computer Simulation Technology (CST), которая была основана в 1992. Их текущий продукт CST - Microwave Studio® [1]. Компания "Remcom software" была основана в 1994 и в настоящее время продает программное обеспечение XFdtd™ [2]. Сегодня конкуренты в микроволновом и радиочастотном рынках включают в частности: EMA3D™[3], Empire's XCcel™ [4], QuickWave™ [5], а следующие основные компании также продают программное обеспечение FDTD, которое специализируется на фотонике: Rsoft's FullWAVE™[6], Opti-wave's OptiFDTD™[7], EM Explorer Studio™ [8], EM Photonics FastFDTD™ [9] и COMSOL Multiphysics [10].
Рассмотрим основное коммерческое программное обеспечение, которое использовалось для моделирования фотонной (нано) струи. Вперые FDTD моделирование фотонных наноструй из диэлектрических наночастиц было в 2004-2005 [11-12].
Коммерческий пакет программного обеспечения COMSOL Multiphysics [10] применяется для моделирования рассеивания плоской волны в цилиндре [13]. Comsol Multiphysics использует метод конечных элементов [14], чтобы решить дифференциальные уравнения в частных производных для 2D и 3D. Есть прямые решатели, более подходящие для меньших проблем и итеративные решатели, подходящие для больших проблем. Количественные производные электромагнитного поля такие, как вектор Пойнтинга, энергия, и энергетические потери, доступны как предопределенные переменные. Границы совершенной магнитной проводимости (PMC) использовались на двух боковых сторонах вычислительного домена, которые ограничивают поляризацию падающей волны TEM. В конечной части области, авторы использовали идеально согласованный слой (PML) в качестве границы для моделирования СВЧ-поглотителей. Измеренные FWHM перетяжки фотонных струй составили около 0.65X (X = 25 мм для 12 ГГц) - меньше, чем числовое моделирование (около 0.4X).
В работе [15] были проанализированы вычисления с помощью программного обеспечения CST Microwave Studio [1] на основе конечного метода интеграции (FIT) частицы находящейся на поверхности металлической периодической рельефной поверхности. Но детали моделирования на сетке и фотонные параметров струи неизвестны. CST позволяет выбирать временной интервал, а также подход в частотной области. Могут быть выбраны несколько типов сетки. Система автоматической сетки определяет важные моменты в структуре (твердых точек) и определяет местоположение узлов сетки. Проблемой, иногда наблюдаемой с CST, является пульсация в частотной характеристике в случае,
если параметры настройки инструмента не надлежащие. Это связано с тем, что CST - по сути решатель временного интервала [14].
В [16] были вычислены свойства обработки изображений сферической микролинзы (M) базовой программой трассировки лучей геометрической оптики ZEMAX и CST [1]. Сравнение, показанное в [16], когда линза была полупогружена в SU-8 резист, F (фокальная плоскость объектного пространства от центра микросферы) полученное из CST, составило 3.5 ^m. Согласно геометрической оптике, расчетное увеличение было 3.31*, -1.71*, и -1.15* при d=0, 3.1, и 4.1 мкм, соответственно. Когда линза не была полупогружена в SU-8 резист, F полученный из CST были 3.0 мкм, и расчетное увеличение составило 5.40*, -1.18*, и -0.85* при d=0, 3.1, и 4.1 мкм, соответственно.
Расчетные увеличения, используя короткое F из CST были очень близки к экспериментальным, размытых изображений.
В работе [17] фотонные наноструи создавались одиночными латексными микросферами, освещаемыми плоской волной. Измерения выполнялись быстрым сканирующим конфокальным микроскопом в режиме обнаружения, где обнаружение отверстий определяются дифракционным пределом объема наблюдения, который сканируются в трех измерениях над микросферой. Измеренные размеры FWHM наноструи были 270 нм для сферы 3 мкм с длиной волны 520 нм и длиной струи более чем 3 длины волны. Экспериментальные результаты сравнивались с расчетами, выполненными, используя квазиточную теорию Mie с аналитическими выражениями для падающих, рассеянных, и внутренних полей на основе многополюсных волновых функций. В табл. ниже показано сравнение экспериментальных результатов и результатов моделирования из Рис. 3d [17].
Таблица
Z, ^ Exp. (FWHM), nm Sim. (FWHM), nm
2.5 300 300
3 400 400
3.5 500 620
4 630 800
4.5 650 780
Относительное расхождение между экспериментом и моделированием, которое авторы объясняют как «стеклянная подложка не вносит нарушения в симметрию, так что эти свойства (например, FWHM) должны в основном оставаться неизменными. Однако эти соображения не применяются к осевым параметрам, таким как реактивное расхождение».
Таким образом, из обзора основных программных коммерческих продуктов, представленных на рынке, можно сделать вывод, что наиболее близкие результаты моделирования к имеющимся в литературе - достоверные экспери-
ментальные данные исследования фотонных струй показывают CST STUDIO SUITE и COMSOL Multiphysics.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. http://www.cst.com/
2. http://www.remcom.com/
3. http://electromagneticapplications.com/ema3d_main.html
4. http://www.empire.de/
5. http://www.qwed.com.pl/
6. http://rsoftdesign.com
7. http://www.optiwave.com/
8. http://www.emexplorer.net/
9. http://www.emphotonics.com/
10. www.comsol.com/
11. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique / Z. Chen, A. Taflove, V. Backman // Opt. Express, 2004, 12. - pp.1214 - 1220.
12. Optical analysis of nanoparticles via enhanced backscattering facilitated by 3-D photonic nanojets / X. Li, Z. Chen, A. Taflove, V. Backman // Opt. Express, 2005, 13. - pp. 526 - 533.
13. Li Zhao, Chong Kim Ong. Direct Observation of Photonic Jets and Corresponding Back-scattering Enhancement at Microwave frequencies // arxiv.org/pdf/0903,1693.
14. Guy A. E. Vandenbosch. Computational Electromagnetics in Plasmonics / InTech, 2012.
15. The optical microscopy with virtual image breaks a record: 50-nm resolution imaging is demonstrated / Zengbo Wang, Wei Guo, Lin Li, Zhu Liu, Boris Luk'yanchuk, Zaichun Chen and Minghui Hong.// arxiv.org/pdf/1006.4037.
16. Experimental imaging properties of immersion microscale spherical lenses / Ran Ye, Yong-Hong Ye, Hui Feng Ma, Lingling Cao, Jun Ma, Frank Wyrowski, Rui Shi and Jia-Yu Zhang.// Scientific Reports, 2014, 4, Article number: 3769, doi:10.1038/srep03769.
17. Direct imaging of photonic nanojets. / P. Ferrand, J. Wenger, A. Devilez, M. Pianta, B. Stout, et al. // Optics Express, 2008, 16 (10). - pp.6930-6940.
© И. В. Минин, О. В. Минин, Н. А. Харитошин, 2015
