近日，物理与电子工程学院由帕尔哈提江·吐尔孙教授带领的微纳光学研究团队，在国际学术期刊《Nanomaterials》（JCR 2区，IF = 4.4）上发表了题为“CPDDA: A Python Package for Discrete Dipole Approximation Accelerated by CuPy”的学术论文。该论文的通讯作者为帕尔哈提江·吐尔孙教授，2022级凝聚态物理专业研究生徐地博为第一作者，新疆师范大学为第一完成单位。
离散偶极子近似方法（Discrete Dipole Approximation，DDA）是近年来快速发展的数值方法，可以计算任意形状颗粒的光散射与吸收特性，并在等离激元光子学、大气光学等研究领域得到广泛应用。尽管已有多个DDA开源程序，但这些程序大多基于编译型语言开发，且材料折射率数据库有限，难以满足复杂研究需求。此外，虽然研究人员逐渐转向解释型语言（如MATLAB、Python），但由于解释型语言的运行效率较低，鲜有基于Python的高性能DDA程序包。基于以上问题，本文基于DDA和CuPy开发了计算任意形状颗粒光学特性的开源Python程序包：CPDDA。该程序包在定量分析颗粒光散射与吸收特性、寻找优异光学特性的材料等方面具有重要的利用价值。
CPDDA可用于模拟任意形状颗粒的光散射和吸收特性。CPDDA采用面向对象编程，具有良好的灵活性和拓展性（图1所示）。该程序包采用双共轭梯度法和快速傅里叶变换实现程序加速和内存优化，并通过三方库CuPy使用图形处理单元并行计算进一步提升程序性能。通过MATLAB程序包MPDDA及Python程序包pyGDM的计算结果对比（图2所示），展示了CPDDA的高性能。
图1 CPDDA程序包的结构和典型仿真的工作流程。
图2 不同硬件（GPU和CPU）和程序包（MPDDA、CPDDA、pyGDM2）在纳米颗粒光学模拟中的计算效率随晶格间距和波长的变化关系。
该研究工作得到了新疆维吾尔自治区自然科学基金项目(2021D01A116)及新疆师范大学青年拔尖人才项目(XJNUQB2022-18)的支持。
帕尔哈提江·吐尔孙教授为自治区“天山英才”（2024年），自治区“天池博士”（2017年），新疆师范大学“青年拔尖人才”（2022年），物理与电子工程学院无线电物理学术带头人。主要从事小粒子光散射理论及其应用、纳米颗粒的光学特性与消光法测量、表面等离激元纳米结构与超材料的设计等方面的研究工作。主持科研项目8项，其省部级及以上4项；发表期刊论文30余篇，其中SCI收录20余篇。
论文链接：https://www.mdpi.com/2079-4991/15/7/500
