Ein effizientes numerisches Programm zur Untersuchung der Lichtstreuung im Nanobereich

Wenn Licht auf ein Teilchen trifft, interagiert es mit dem Teilchen, anstatt es einfach reibungslos zu passieren. Aufgrund der Licht-Materie-Wechselwirkungen können die Lichtwellen in verschiedene Richtungen gestreut werden.

Noch interessanter wird es auf der Nanoskala, wo die Größe der Partikel mit der Wellenlänge des Lichts vergleichbar ist. Diese Größenanpassung führt zu einigen Spezialeffekten. Beispielsweise können Sie beobachten, wie sich Farben ändern oder sich bestimmte Muster bilden, wenn das Licht auf verschiedene Weise gestreut wird.

Die Multipolzerlegung ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das häufig zur Analyse der Lichtstreuung verwendet wird, sowohl durch ein einzelnes Nanopartikel als auch durch periodische Anordnungen von Nanostrukturen. Mit diesem Tool können wir die Physik hinter ungewöhnlichem Lichtverhalten wie gerichteter Streuung, perfekter Reflexion und Transmission, Anapoleffekten und mehr erforschen. Darüber hinaus können wir dieses Tool verwenden, um neuartige nanophotonische Geräte wie Metaoberflächen und plasmonische Arrays zur Lichtmanipulation zu entwerfen.

Über symmetrische Streuer wie Kugeln oder Zylinder hinaus gibt es typischerweise keine analytischen Lösungen für die elektromagnetischen Multipole unregelmäßiger Streuer. Daher sind effiziente numerische Implementierungen der Multipolzerlegung äußerst wünschenswert.

Forscher unter der Leitung von Prof. Yuntian Chen von der Huazhong University of Science and Technology (HUST), China, wollen die Leistung des Multipolzerlegungsprogramms verbessern. Die numerische Integration spielt eine entscheidende Rolle bei der Multipolzerlegung und kann mithilfe von Oberflächen- oder Volumenintegraltechniken durchgeführt werden. Die Forscher haben Lebedev- und Gaußsche Quadraturmethoden in das Programm eingeführt und damit die Genauigkeit und Effizienz der Integralberechnung deutlich verbessert.

Sie validierten diese Verbesserung durch mehrere Demonstrationen, darunter dielektrische Nanokügelchen, symmetrische Partikel und anisotrope Nanokügelchen. Das benutzerfreundliche numerische Programm ist auf GitHub öffentlich zugänglich und für Forscher, die sich mit Nanophotonik befassen, von Vorteil. Die Arbeit mit dem Titel „Effiziente und genaue numerische Projektion elektromagnetischer Multipole zur Streuung von Objekten“ lautete veröffentlicht In Grenzen der Optoelektronik am 29. Dezember 2023.