Метод простых итераций с коррекцией сходимости и метод минимальных невязок в задачах плазмоники
Автор: Давидович М.В., Кобец А.К., Саяпин К.А.
Журнал: Физика волновых процессов и радиотехнические системы @journal-pwp
Статья в выпуске: 3 т.24, 2021 года.
Бесплатный доступ
Рассмотрена задача поиска комплексных корней дисперсионных уравнений плазмон-поляритонов вдоль границ раздела слоистая структура - вакуум. Такие задачи возникают при определении собственных волн вдоль границ раздела структур, поддерживающих поверхностные и вытекающие волны, в том числе плазмоны и поляритоны вдоль металлических, диэлектрических и иных поверхностей. Для численного решения задачи рассмотрена модификация метода простых итераций с переменным параметром итерации, приводящим к нулевой производной правой части уравнения на каждом шаге, т. е. к сходящимся итерациям, а также модификация метода минимальных невязок. Показано, что метод минимальных невязок с линеаризацией совпадает с методом простых итераций при указанной коррекции. Рассмотрены сходящиеся методы более высоких порядков. Результаты продемонстрированы на примерах, включая комплексные решения дисперсионных уравнений для плазмон-поляритонов. Преимуществом метода перед другими методами поиска комплексных корней в задачах электродинамики является возможность упорядочивания корней и построения дисперсионных ветвей без разрывов, что позволяет классифицировать моды.
Плазмон-поляритоны, метод простых итераций, метод минимальных невязок, дисперсионное уравнение
Короткий адрес: https://sciup.org/140290765
IDR: 140290765 | УДК: 519.6 | DOI: 10.18469/1810-3189.2021.24.3.18-27
The method of simple iterations with correction of convergence and the minimal discrepancy method for plasmonic problems
The problem of searching for complex roots of the dispersion equations of plasmon-polaritons along the boundaries of the layered structure-vacuum interface is considered. Such problems arise when determining proper waves along the interface of structures supporting surface and leakage waves, including plasmons and polaritons along metal, dielectric and other surfaces. For the numerical solution of the problem, we consider a modification of the method of simple iterations with a variable iteration parameter leading to a zero derivative of the right side of the equation at each step, i.e. convergent iterations, as well as a modification of the minimum residuals method. It is shown that the method of minimal residuals with linearization coincides with the method of simple iterations with the specified correction. Convergent methods of higher orders are considered. The results are demonstrated by examples, including complex solutions of dispersion equations for plasmon-polaritons. The advantage of the method over other methods of searching for complex roots in electrodynamics problems is the possibility of ordering the roots and constructing dispersion branches without discontinuities. This allows you to classify modes.
Список литературы Метод простых итераций с коррекцией сходимости и метод минимальных невязок в задачах плазмоники
- Давидович М.В. Плазмоны в многослойных плоскослоистых структурах // Квантовая электроника. 2017. Т. 47, № 6. С. 567‒579. URL: http://mi.mathnet.ru/qe16620
- Давидович М.В. Втекающие и вытекающие несобственные моды – анализ диссипативных дисперсионных уравнений и волна Ценнека. Саратов: Сарат. ун-т, 2014. 104 с.
- Давидович М.В. Максимальное замедление и отрицательная дисперсия плазмонов вдоль металлического слоя // ПЖТФ. 2017. Т. 43, вып. 22. С. 55‒62. DOI: https://doi.org/10.21883/PJTF.2017.22.45261.16629
- Давидович М.В. Об условии перехода быстрой поверхностной волны в медленную // Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63, № 6. С. 499–506. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=35104331
- Давидович М.В. Гиперболические метаматериалы: получение, свойства, применения, перспективы // УФН. 2019. Т. 189, № 12. С. 1250‒1284. DOI: https://doi.org/10.3367/UFNr.2019.08.038643
- Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978. 512 с.
- Chapra S.C., Canale R.P. Numerical Methods for Engineers. New York: McGraw-Hill Education, 2014. 970 p.
- Самохин А.Б. Интегральные уравнения и итерационные методы в электромагнитном рассеянии. М.: Радио и связь, 1998. 160 с.
- Давидович М.В. Итерационные методы решения задач электродинамики. Саратов: Сарат. ун-т, 2014. 240 с.
- Long-range plasmonic waveguides with hyperbolic cladding / V.E. Babicheva [et al.] // Opt. Express. 2015. Vol. 23, no. 24. P. 31109–31119. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.23.031109
- Lyashko E.I., Maimistov A.I. Guided waves in asymmetric hyperbolic slab waveguides: the TM mode case // J. Opt. Soc. Am. B. 2016. Vol. 33, no. 11. P. 2320–2330. DOI: https://doi.org/10.1364/JOSAB.33.002320
- Chern R.-L., Yu Y.-Z. Chiral surface waves on hyperbolic-gyromagnetic metamaterials // Opt. Express. 2017. Vol. 25, no. 10. P. 11801–11812. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.25.011801
- Chiral surface waves supported by biaxial hyperbolic metamaterials / W.-L. Gao [et al.] // Light Sci. Appl. 2015. Vol. 4, no. 9. P. e328-1–5. DOI: https://doi.org/10.1038/lsa.2015.101
- Popov V., Lavrinenko A.V., Novitsky A. Surface waves on multilayer hyperbolic metamaterials: Operator approach to effective medium approximation // Phys. Rev. B. 2018. Vol. 97, no. 12. P. 125428-1–10. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.125428
- Engineered surface Bloch waves in graphene-based hyperbolic metamaterials / Y. Xiang [et al.] // Opt. Express. 2014. Vol. 22, no. 3. P. 3054–3062. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.22.003054
- Tunable terahertz amplification based on photoexcited active graphene hyperbolic metamaterials [Invited] / T. Guo [et al.] // Opt. Materials Express. 2014. Vol. 8, no. 12. P. 3941–3952. DOI: https://doi.org/10.1364/OME.8.003941
- Grig T., Hess O. Tunable surface waves at the interface separating different graphene-dielectric composite hyperbolic metamaterials // Opt. Express. 2017. Vol. 25, no. 10. P. 11466–11476. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.25.011466
- Tunable bulk polaritons of graphene-based hyperbolic metamaterials / L. Zhang [et al.] // Opt. Express. 2014. Vol. 22, no. 11. P. 14022–14030. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.22.014022
- Давидович М.В. Плазмон-поляритоны Дьяконова вдоль гиперболического метаматериала // Компьютерная оптика. 2021. Т. 45, № 1. С. 48–57. DOI: https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-673
- Johnson P.B., Christy R.W. Optical constants of the noble metals // Phys. Rev. B. 1972. Vol. 6, no. 12. P. 4370–4379. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.6.4370