КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 22-22-00633

НазваниеАналитическая теория рассеяния света на субволновой структуре

РуководительШапиро Давид Абрамович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2023 г. 

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-301 - Физическая оптика

Ключевые словаэлектромагнитная волна, рассеяние, периодическая субволновая структура, ближнее поле, борновский ряд, показатель преломления, дифракционная решетка, граничные условия

Код ГРНТИ29.31.27


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Для современных технологий фотоники требуется расчет электромагнитной волны, рассеянной на отдельной частице или периодической структуре. Эти расчеты выполняются с помощью коммерческих кодов, поэтому трудно разобраться, как зависит результат от параметров частицы и волны. Оптимизация также затруднена незнанием общих качественных закономерностей. Аналитические формулы для простейшей симметричной геометрии позволили бы разобраться в основных эффектах и найти параметры, близкие к оптимальным, которые далее можно уточнить численным расчетом. Известный метод получения формул – это борновский ряд, который хорошо сходится для малых различий показателя преломления. Однако квантовомеханическая теория возмущений не подходит для решения уравнений Максвелла: не учитываются граничные условия на поверхностях раздела диэлектриков, поляризация волны и многократное отражение. Планируется модификации бороновского приближения, его приспособление к задачам фотоники. Предполагается исследование рассеяние волны на диэлектрике, металлических частицах и зазорах с учетом состояния поляризации. Когда диаметр диэлектрических или металлических цилиндров и зазор между ними много меньше длины волны, будет использован другой метод получения формул – квазистатическое приближение. Будет найдены локальные поля в системе двух параллельных цилиндров и бесконечной периодической структуре. Намечается также сравнение полученных формул с численным расчетом.

Ожидаемые результаты
1. Будет решена задача рассеяния электромагнитной волны на периодической субволновой структуре из параллельных диэлектрических цилиндров в бороновском приближении. Будет найдена зависимость интенсивности рассеянной волны от угла падения для s- или p-поляризации. Планируется сравнение с расчетами в среде COMSOL Multiphysics и методом граничных интегральных уравнений. 2. Будут получены аналитические формулы для рассеяния электромагнитного поля на бесконечной периодической решётке диэлектрических цилиндров в квазистатическом приближении. Будет выполнено сравнения с численным расчётом.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Найдены формулы для поля рассеяния плоской p-волны на периодической структуре из параллельных круговых цилиндров. Для вывода использовано модифицированное борновское приближение, которое точно учитывает граничные условия на поверхности цилиндров. Благодаря граничным условиям приближение дает качественно правильное описание уже в первом порядке. С помощью теоремы Флоке задача сведена к рассеянию на элементарной ячейке, содержащей один цилиндр. Найдено распределение поля в окрестности решетки. Показано, что рассеянное поле максимально вблизи цилиндров и минимально в центре промежутка между соседними элементами. 2. Целью работы является поиск решения для рассеяния плоской электромагнитной волной на двух параллельных цилиндрах в квазистатическом приближении. Приближение справедливо, когда их диаметры и зазор между ними меньше длины волны излучения. Мы строим конформное преобразование, которое отображает декартовы в биполярные ортогональные координаты, и представляем рассеянное поле в виде разложения по собственным функциям оператора Лапласа. Показано, что распределение интенсивности ближнего поля совпадает с численным расчетом, выполненным на платформе COMSOL Multiphysics. Полученная функция Грина позволяет находить также более высокие порядки разложения. По сравнению с предыдущими исследованиями мы рассматриваем общий случай цилиндров с различными диаметрами и диэлектрическими постоянными. 3. Решена задача о рассеянии s-волны на периодической решетке из тонких идеально проводящих лент при нормальном падении. Методом Римана – Гильберта найдена бесконечная система уравнений на коэффициенты Фурье электрического и магнитного поля. Выяснен смысл константы интегрирования, получаемой при обходе по внешнему бесконечно удаленному контуру. Это позволяет обойтись без итераций, в отличие от решения, известного из литературы. Усеченная система решена численно, и показана быстрая сходимость к точному решению. Впервые были предложены оптимальные значения размерности урезанной системы уравнений для обеспечения максимальной точности вычисления. В итоге удалось построить карту распределения поля с точностью свыше 10-6. Вычислены коэффициенты прохождения в зависимости от двух безразмерных параметров: отношения периода решетки к длине волны света и коэффициента заполнения площади решетки проводником. Уточнены результаты по коэффициенту прохождения, известные из литературы.

 

Публикации

1. Немыкин А.В., Шапиро Д.А. Light scattering by an infinite strip grating Novosibirsk, IA&E SBRAS,, Russian Fiber Lasers, Vol.2, Number 1, p. 96-97 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31868/2782-2354-RFL2022-2-1-96-97

2. Немыкин А.В., Шапиро Д.А. Дифракция на идеально проводящей ленточной решетке Квантовая электроника, Москва, ФИАН, Т.52, №11 (год публикации - 2022)

3. Береза А.С., Шапиро Д.А. Борновский ряд для рассеяния на периодической структуре из параллельных цилиндров X Международный семинар по волоконным лазерам. Материалы Семинара. Новосибирск, ИАиЭ СО РАН, 2022, Материалы 10-го Международного семинара по волоконным лазерам (15-19 августа 2022, Новосибирск), C.130-131. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31868/RFL.2022.130-131

4. Верёвкин А.Е., Береза А.С., Шапиро Д.А. Light Scattering on Two Parallel Subwavelength Cylinders эектронный препринт, Корнельский университет, США, arXiv.org:2212.05393 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.48550/arXiv.2212.05393


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Получены простые аналитические выражения для распределения интенсивности ближнего поля, возникающего при рассеянии излучения решеткой субволнового периода. Наша методология, основанная на двумерной модели точечного диполя и специализированном варианте теории возмущений, демонстрирует эффективность. Проведя строгие сравнения с численными расчетами с использованием методов граничных элементов и конечных элементов, мы обосновали надежность наших моделей, в том числе в случае узкой щели. 2. Рассматривается явление рассеяния длинноволнового излучения на двух параллельных цилиндрах. Используя квазистатическое приближение, которое считается подходящим, когда диаметры цилиндров и зазор между ними значительно меньше длины волны излучения, мы применяем конформное преобразование для получения аналитического решения двумерной задачи. Наше аналитическое решение хорошо согласуется с численными расчетами. Дополнительно найдена функция Грина, которая облегчает вычисление более высоких порядков разложения. 3. Логарифмическое конформное преобразование облегчает отображение периодического массива цилиндров с овальными сечениями на полуплоскость комплексного переменного. Это преобразование оказывается полезным при решении периодической задачи, связанной с рассеянием света на параллельных цилиндрах. Проведено сравнительное исследование полученного решения и численных расчетов, выполненных с помощью COMSOL Multiphysics. Полученные результаты демонстрируют качественное совпадение при определенных соотношениях параметров.

 

Публикации

1. Береза А.С., Верёвкин А.Е., Шапиро Д.А. Квазистатическое приближение для задачи рассеяния на наноструктурах Фотон-экспресс, №6(190), с.102-103 (год публикации - 2023)

2. Верёвкин А.Е., Берёза А.С., Шапиро Д.А. Рассеяние длинноволнового излучения на двух параллельных цилиндрах Известия вузов. Радиофизика, - (год публикации - 2024)

3. Чернявский А., Береза А., Фрумин Л., Шапиро Д. Modeling of Subwavelength Gratings: Near-Field Behavior Photonics, V. 10, No 1332 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/photonics10121332


Возможность практического использования результатов
не указано