Вышедшие номера
Home » Оптика и спектроскопия » Год 2025, выпуск 12 » Статья стр. 1244
<<<>>>
Оптимизированный метод Монте-Карло для моделирования распространения когерентного оптического излучения в рассеивающих средах с возможностью учета пространственно-временных характеристик электрического поля
Доронин А.1, Владыко И.1, Васильева Е.В.1, Меглинский И.B.2
1School of Engineering and Computer Science, Victoria University of Wellington, Wellington, New Zealand
2Aston Institute of Photonic Technologies, College of Engineering and Physical Sciences, Aston University, Birmingham, UK
Email: alex.doronin@vuw.ac.nz
Поступила в редакцию: 7 июня 2025 г.
В окончательной редакции: 28 июля 2025 г.
Принята к печати: 25 ноября 2025 г.
Выставление онлайн: 5 февраля 2026 г.
PDF версия
Представлен новый оптимизированный алгоритм Монте-Карло с возможностью учета пространственно-временной динамики электрического поля, разработанный для максимально точного численного моделирования когерентных эффектов, возникающих при распространении поляризованного оптического излучения в рассеивающих средах. Метод основан на прямом расчете последовательных изменений электрического поля вдоль траекторий фотонов в рассеивающей среде, что позволяет учитывать интерференцию, фазовую задержку и вращение поляризации, возникающие при многократном рассеянии в оптически неоднородной среде. Разработанный алгоритм оптимизирован для энергоэффективных процессоров Apple серии M, используя преимущества унифицированной памяти и высокопроизводительного параллельного моделирования траекторий фотонов и эволюции электрического поля в реальном времени с низким энергопотреблением. Алгоритм интегрирован в разработанный ранее программный модуль с открытым доступом, поддерживающий моделирование распространения света как с временным, так и пространственно-поляризационным разрешением, что делает его особенно привлекательным для широкого круга исследований, включая, в частности, такие методы, как поляриметрия на основе матрицы Мюллера и интерференционно-избирательной визуализации с пространственно-временной фильтрацией сигнала. Сравнение с существующими численными методами моделирования показывает, что предложенный подход обеспечивает сопоставимую точность при существенном снижении времени расчета и энергопотребления. Разработанный метод открывает возможности физически обоснованного и эффективного моделирования распространения когерентного поляризованного лазерного излучения в сложных неупорядоченных средах, включая биоткани, с возможностью эффективного использования алгоритмов параллельного моделирования для повышения точности и вычислительной производительности. Ключевые слова: поляризованный свет, когерентные эффекты, многократное рассеяние, Монте-Карло моделирование, электрическое поле, процессор Apple серии M, вычислительная производительность. DOI: 10.21883/0000000000
  1. В.Л. Кузьмин, И.В. Меглинский. Квант. Электрон., 36 (11), 990 (2006). [V.L. Kuz'min, I.V. Meglinski. Quant. Electron., 36 (11), 990 (2006)]. DOI: 10.1070/QE2006v036n11ABEH013338
  2. И.В. Меглинский, В.В. Тучин. Докл. РАН. Физ. техн. науки, 524, 23-32 (2025). [I.V. Meglinski, V.V. Tuchin. Dokl. Phys., 524, 23-32 (2025)]. DOI: 10.7868/S3034508125050044
  3. S.T. Flock, M.S. Patterson, B.C. Wilson, D.R. Wyman. IEEE Trans. Biomed. Eng., 36 (12), 1162-1168 (1989). DOI: 10.1109/10.42107
  4. L. Wang, S. Jacques. J. Opt. Soc. Am. A, 10 (8), 1746-1752 (1993). DOI: 10.1364/JOSAA.10.001746
  5. L. Wang, S.L. Jacques, L. Zheng. Comput. Methods Programs Biomed., 47 (2), 131-146 (1995). DOI: 10.1016/0169-2607(95)01640-F
  6. I.V. Meglinski, A. Doronin. SPIE Newsroom (2011). DOI: 10.1117/2.1201110.003879
  7. A. Doronin, I.V. Meglinski. J. Biomed. Opt., 17 (9), 090504 (2012). DOI: 10.1117/1.JBO.17.9.090504
  8. I.V. Meglinski, V.L. Kuzmin, D.Y. Churmakov, D.A. Greenhalgh. Proc. R. Soc. A, 461, 43-53 (2005). DOI: 10.1098/rspa.2004.1369
  9. В.Л. Кузьмин, И.В. Меглинский. Письма в ЖЭТФ, 79 (3), 139-142 (2004). [V.L. Kuz'min, I.V. Meglinski. JETP Lett., 79 (3), 109-112 (2004)]. DOI: 10.1134/1.1719124
  10. H.H. Barrett, K.J. Myers. Foundations of Image Science (Wiley-Interscience, Hoboken, NJ, 2004)
  11. S.V. Gangnus, S.J. Matcher, I.V. Meglinski. Laser Phys., 14, 886-891 (2004)
  12. I.V. Meglinski, A.V. Doronin, A.N. Bashkatov, E.A. Genina, V.V. Tuchin. In: Computational Biophysics of the Skin, ed. by B. Querleux (Pan Stanford Publishing, Singapore, 2014), ch. 2, p. 25-56
  13. A.V. Bykov, A.V. Doronin, I.V. Meglinski. In: Deep Imaging in Tissue and Biomedical Materials, ed. by L. Shi, R.R. Alfano (Jenny Stanford Publishing, Singapore, 2017), p. 295-322
  14. A.V. Doronin, C.M. Macdonald, I.V. Meglinski. J. Biomed. Opt., 19 (2), 025005 (2014). DOI: 10.1117/1.JBO.19.2.025005
  15. A. Doronin, I. Fine, I.V. Meglinski. Laser Phys., 21, 1972-1977 (2011). DOI: 10.1134/S1054660X11190078
  16. S. Chandrasekhar. Radiative Transfer (Dover Publications, N.Y., 1960)
  17. И.В. Меглинский. Квант. Электрон., 31 (12), 1101-1107 (2001). [I.V. Meglinski. Quant. Electron., 31 (12), 1101-1107 (2001)]. DOI: 10.1070/QE2001v031n12ABEH002108
  18. E. Berrocal, D.Y. Churmakov, V.P. Romanov, M.C. Jermy, I.V. Meglinski. Appl. Opt., 44, 2519-2529 (2005). DOI: 10.1364/AO.44.002519
  19. J.C. Ramella-Roman, S.A. Prahl, S.L. Jacques. Opt. Express, 13 (12), 4420-4438 (2005). DOI: 10.1364/OPEX.13.004420
  20. J.C. Ramella-Roman, S.A. Prahl, S.L. Jacques. Opt. Express, 13 (26), 10392-10405 (2005). DOI: 10.1364/OPEX.13.010392
  21. C.M. Macdonald, S.L. Jacques, I.V. Meglinski. Phys. Rev. E, 91, 033204 (2015). DOI: 10.1103/PhysRevE.91.033204
  22. A. Doronin, A.J. Radosevich, V. Backman, I.V. Meglinski. J. Opt. Soc. Am. A, 31 (11), 2394-2400 (2014). DOI: 10.1364/JOSAA.31.002394
  23. V.L. Kuz'min, I.V. Meglinski. Opt. Commun., 273 (2), 307-310 (2007). DOI: 10.1016/j.optcom.2007.01.025
  24. R. Rowland, A. Ponticorvo, M.L. Baldado, G.T. Kennedy, D.M. Burmeister, R.J. Christy, N.P. Bernal, A.J. Durkin. J. Biomed. Opt., 24 (5), 056007 (2019). DOI: 10.1117/1.JBO.24.5.056007
  25. S.L. Jacques. J. Biomed. Opt., 27 (8), 083002 (2022). DOI: 10.1117/1.JBO.27.8.083002
  26. A.F. Pena, A. Doronin, V.V. Tuchin, I.V. Meglinski. J. Biomed. Opt., 19, 086002 (2014). DOI: 10.1117/1.JBO.19.8.086002
  27. A.F. Pena, J. Devine, A. Doronin, I.V. Meglinski. Opt. Lett., 38 (14), 2629-2631 (2013). DOI: 10.1364/OL.38.002629
  28. I.M. Sobol'. The Monte Carlo Method (University of Chicago Press, Chicago, 1974)
  29. C. Brosseau. Fundamentals of Polarized Light: a Statistical Optics Approach (John Wiley \& Sons, N.Y., 1998)
  30. C.F. Bohren, D.R. Huffman. Absorption and Scattering of Light by Small Particles (Wiley, N.Y., 1983)
  31. X. Wang, L.V. Wang. J. Biomed. Opt., 7, 279-290 (2002). DOI: 10.1117/1.1483315
  32. S. Bartel, A.H. Hielscher. Appl. Opt., 39, 1580-1588 (2000). DOI: 10.1364/AO.39.001580
  33. M.J. Rakovic, G.W. Kattawar, M. Mehrubeoglu, B.D. Cameron, L.V. Wang, S. Rastegar, G.L. Cote. Appl. Opt., 38, 3399-3408 (1999). DOI: 10.1364/AO.38.003399
  34. V.V. Tuchin. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis, 3rd ed. (SPIE Press, Bellingham, 2015). DOI: 10.1117/3.1003040
  35. V.V. Tuchin. Handbook of Optical Biomedical Diagnostics, vol. 2: Methods, 2nd ed. (SPIE Press, Bellingham, 2016). DOI: 10.1117/3.2219608
  36. E. Alerstam, T. Svensson, S. Andersson-Engels. J. Biomed. Opt., 13 (6), 060504 (2008). DOI: 10.1117/1.3041496
  37. A. Clennell, V. Nguyen, V.V. Yakovlev, A. Doronin. Opt. Express, 31 (19), 30921-30931 (2023). DOI: 10.1364/OE.496516
  38. I.V. Meglinski, S.J. Matcher. Comput. Methods Programs Biomed., 70 (2), 179-186 (2003). DOI: 10.1016/S0169-2607(02)00099-8
  39. G.I. Petrov, A. Doronin, H.J.T. Whelan, I.V. Meglinski, V.V. Yakovlev. Biomed. Opt. Express, 3, 2154-2161 (2012). DOI: 10.1364/BOE.3.002154
  40. A. Doronin, V. Yakovlev, V.S. Bagnato. Biomed. Opt. Express, 15, 1682-1693 (2024). DOI: 10.1364/BOE.514003
  41. A. Doronin, N. Vera, J.P. Staforelli, P. Coelho, I.V. Meglinski. Photonics, 6 (2), 56 (2019). DOI: 10.3390/photonics6020056
  42. V.V. Dremin, Z. Marcinkevics, E.A. Zherebtsov, A. Popov, A. Grabovskis, H. Kronberga, K. Geldnere, A. Doronin, I.V. Meglinski, A.V. Bykov. IEEE Trans. Med. Imaging, 40, 1207-1216 (2021). DOI: 10.1109/TMI.2021.3049591
  43. A. Doronin, L. Tchvialeva, I. Markhvida, T.K. Lee, I.V. Meglinski. J. Biomed. Opt., 21, 071117 (2016). DOI: 10.1117/1.JBO.21.7.071117
  44. E.A. Zherebtsov, V.V. Dremin, A.P. Popov, A. Doronin, D.A. Kurakina, M.Yu. Kirillin, I.V. Meglinski, A.V. Bykov. Biomed. Opt. Express, 10 (7), 3545-3559 (2019). DOI: 10.1364/BOE.10.003545
  45. F. Khanom, N. Mohamed, I. Lopushenko, A.Yu. Sdobnov, A. Doronin, A. Bykov, E.U. Rafailov, I. Meglinski. Sci. Rep., 14 (1), 20662 (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-70954-x
  46. D. Robinson, K. Hoong, W. Kleijn, A. Doronin, J. Rehbinder, J. Vizet, A. Pierangelo, T. Novikova. J. Biomed. Opt., 28, 102904 (2023). DOI: 10.1117/1.JBO.28.10.102904
  47. A. Ushenko, A. Sdobnov, I. Soltys, Y. Ushenko, A. Dubolazov, V. Sklyarchuk, A. Olar, L. Trifonyuk, A. Doronin, W. Yan, A. Bykov, I. Meglinski. Sci. Rep., 14 (1), 13679 (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-63816-z
  48. S. Chae, T. Huang, O. Rodri guez-Nun ez, T. Lucas, J. Vanel, J. Vizet, A. Pierangelo, G. Piavchenko, T. Genova, A. Ajmal, J. Ramella-Roman, A. Doronin, H. Ma, T. Novikova. IEEE Trans. Med. Imaging (2025). DOI: 10.1109/TMI.2025.3567570
  49. I. Meglinski, C. Macdonald, A. Doronin, M. Eccles. In: Optics in the Life Sciences (Optica Publishing Group, 2013), p. BM2A.4. DOI: 10.1364/BODA.2013.BM2A.4
  50. M. Xu, R.R. Alfano. Phys. Rev. E, 72, 065601 (2005). DOI: 10.1103/PhysRevE.72.065601
  51. В.Л. Кузьмин, E. Аксенова. ЖЭТФ, 123 (5), 929-945 (2003). [V.L. Kuzmin, E. Aksenova. J. Exp. Theor. Phys., 96 (5), 816-831 (2003)]. DOI: 10.1134/1.1581936
  52. В.Л. Кузьмин. Опт. и cпектр., 93 (3), 478-487 (2002). [V.L. Kuzmin. Opt. Spectrosc., 93 (3), 439-448 (2002)]. DOI: 10.1134/1.1509828
  53. I. Meglinski, V.L. Kuzmin. Prog. Electromagn. Res. M, 16, 47-61 (2011). DOI: 10.2528/PIERM10102106
  54. В.Л. Кузьмин, И.В. Меглинский. ЖЭТФ, 137 (5), 848-860 (2010). [V.L. Kuz'min, I.V. Meglinski. J. Exp. Theor. Phys., 110 (5), 742-753 (2010). DOI: 10.1134/S1063776110050031]
  55. I. Lopushenko, A. Bykov, I. Meglinski. Phys. Rev. A, 108, L041502 (2023). DOI: 10.1103/PhysRevA.108.L041502
  56. C. Macdonald, I. Meglinski. Laser Phys. Lett., 8 (4), 324-328 (2011). DOI: 10.1002/lapl.201010133
  57. I. Lopushenko, O. Sieryi, A. Bykov, I. Meglinski. J. Biomed. Opt., 29 (5), 052913 (2024). DOI: 10.1117/1.JBO.29.5.052913
  58. A. Doronin. Monte Carlo models and code [Электронный ресурс]. URL: https://github.com/aledoronin/ (дата обращения: 2025)
  59. A. Doronin. Cloud based Monte Carlo platform for the needs of Biophotonics, Biomedical Optics and Computer Graphics [Электронный ресурс]. URL: https://www.lighttransport.net/ (дата обращения: 2025)
  60. A. Sdobnov, G. Piavchenko, A. Bykov, I. Meglinski. Laser Photonics Rev., 18 (2), 2300494 (2024). DOI: 10.1002/lpor.202300494
  61. E. Zherebtsov, A. Sdobnov, O. Sieryi, M. Kaakinen, L. Eklund, T. Myllyl, A. Bykov, I. Meglinski. Laser Photonics Rev., 19 (2), 2401016 (2025). DOI: 10.1002/lpor.202401016
  62. I. Meglinski, I. Lopushenko, A. Sdobnov, A. Bykov. Opt. Photonics News, 12, 43 (2024).

Учредители

Издатель

© 2026 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Powered by webapplicationthemes.com - High quality HTML Theme