FDTD操作案例2

精品文档 1欢迎下载 一 基于 Au 薄膜正三角形孔阵列提取光场强度分布图 本例子中取 Au 薄膜厚度 30nm 三角形孔阵周期 800nm 小孔直径 600nm Au 的材料模 型选取 Au Gold CRC 或者自建材料模型 参见 hole arrays E fied profile fsp 文件 1 添加金薄膜 打开 FDTD Solution 软件后点击 structure 添加长方体模块 如下 图所示 点击 对几何参数和材料类型等进行编辑 参照下图 精品文档 2欢迎下载 先将 name 改为 Au 30nm 在 Geometry 下设置金薄膜的几何尺寸 我们只需要对下图红框所示的左边一栏进行编辑 其中 x span y span z span 分别对应金薄膜的长 宽和厚度 而 x y z 表示其几何中心的坐标 值 均设置为0 在 x span 中输入 0 8 2 0 6 y span 中输入 0 8 sqrt 3 0 6 z span 中输入 0 03 对应金薄膜厚度为30nm 便 可得到如下图所示的结果 点击 material 选择所使用的材料类型 如下图所示 选中 Au Gold CRC 点 OK 保存即可 现在对金膜的几何尺寸和材料类型设置完成 精品文档 3欢迎下载 2 在金薄膜中添加小孔阵列 点击中的三角形 在下拉菜单中选择 Photonic crystals 然后在屏幕右侧的 Object 一栏中选中 Hexagonal lattice PC array 点击 Insert 进行添加 在左侧的结构树 object tree 中选中 hex pc 即我们刚才添加进去 精品文档 4欢迎下载 的六边形阵列 点击对它进行编辑 各参数设置如下图所示 其中 a 表示小孔之间的间距 即三角形孔阵的周期 radius 表示小孔半径 设置完 成后 点 ok 保存 经过上面的步骤 我们搭建的模型的如下图所示 我们发现经过上面的设置所得到的 三角形孔阵列其中两个小孔超出了金膜 为了好看起见 希望将多余的这两个小孔删掉 首先 如下图所示 在结构树下选中 hex pc 单击鼠标右键在菜单中选择 break groups 不进行这项操作无法删掉多余的小孔 精品文档 5欢迎下载 在结构树种选择希望删除掉的小孔 所选择的部分会对应于结构视图中 如下图所示 此时 可单击右键选择 delete 进行删除 或者直接点左侧工具栏中的按钮删除 这时得到我们希望的金纳米孔阵列如下图 在左侧工具栏中选择可以对视图 进行放大和缩小 鼠标左键放大 右键缩小 精品文档 6欢迎下载 3 添加平面光源 在 source 下拉菜单中选择 plane wave 如下图所示 对光源参数进行设置 在 general 中设置光源入射方向为 z 轴正方向 光源在 xy 面上的大小与金薄膜大小相同 区别在于其 z 轴位置不同 在 general geometry 和 frequency wavelength 下的参数设置如下面三 个图所示 其它选项默认不变 我们设置光源为单色光 波长为500nm 设置完 成后点击 ok 保存 精品文档 7欢迎下载 精品文档 8欢迎下载 4 添加光探测器 仿真之后可得到垂直于 z 轴的平面上的电场强度分布 选择 monitor 中的 frequency domain field profile frequency domain field profile 探测器对光场的计算比较精确 如果需要得到如透过 率 反射率等与能量相关的量 则要选择 frequency domain field and power 探测器 这个计算能量更精确一些 对 monitor 进行设置 在 general 下勾选 override golobal monitor setting 选项 设置 frequency point 为1 因为仿真所用光源为单一频率 精品文档 9欢迎下载 只记录这个频率下的仿真结果就可以了 Geometry 下的参数设置如下图 对于 spectral averaging and apodization 和 advanced 选项 保持默认设置不变 精品文档 10欢迎下载 在 data record 下对于我们不关心的输出选项 比如不勾选 Hx Hy Hz 仿真运行之后不会保持这些分量的值 可以有效减小仿真数据存 储空间 精品文档 11欢迎下载 5 添加仿真区域 点击 simulation 添加仿真区域 如下图所示 对仿真区域进行参数设置 如下面几个图所示 精品文档 12欢迎下载 在 mesh setting 选项中将 mesh accuracy 设为4 设置的数值越高网格 划分约细致 但是我们同时要考虑计算机的内存 如果设置的数值过大 仿真 运行时内存可能不够用 会导致仿真无法进行 如果此项数值设置过低 仿真 结果可能不准确 对于具有色散特性的金属材料 需要将 mesh refinement 选项设置为 conformal variant 1 或者 conformal variant 2 精品文档 13欢迎下载 boundary conditions 参数设置如下图 因为纳米孔阵列具有周期性结 构 所以我们需要设置周期性边界条件 这样就可以只对最小单元结构进行仿 真来模拟无限大的区域 我们的结构和光源具有一定的对称性 设置对称性能 有效减小仿真计算区域 提高效率 设置对称性时要注意光源的对称性 如果 极化方向与对称平面平行 则选择 symmetric 如果极化方向与对称平面垂 直 则选择 anti symmetric 我们选择的是平面光源 电场方向沿 X 轴极化 根据上面的准则 对称性的设置如下图所示 6 添加网格覆盖区域 在仿真计算中 我们往往需要在部分区域对网格结构进 行更为精细的划分 以使得仿真计算的结果更加准确 添加网格覆盖区域 就 精品文档 14欢迎下载 是对这个区域内的网格重新划分 提高计算精度 因为本例子中金薄膜的厚度 为30nm 计算色散材料需要更精细的网格 所以我们在金膜所在的区域重新划 分网格 在 simulation 的下拉菜单中选择 mesh 添加网格覆盖区域 对 mesh 参数进行设置 如下图所示 最小网格精度设置为2nm 因为我 们的金薄膜厚度比较小 所以最小网格尺寸要小一些仿真结果才能比较准确 设置完成后点 ok 保存 在运行仿真之前 还有两点需要注意一下 第一 检查材料特性的拟合 在 check 下选择 material explore 精品文档 15欢迎下载 至此仿真模型搭建完毕 模型结构如下图所示 7 在运行仿真之前 还有两点需要注意一下 第一 检查材料特性的拟合 在 check 下选择 material explore 精品文档 16欢迎下载 在如下对话框中选择仿真中所用到的材料类型 本例子中选择 Au Gold CRC 因为光源设置为单色光 只有单一频率 所以无法考察材料拟合的好坏 如果仿真计算的光源不是单一的频率 例如波段在 400nm 800nm 之间 考察材 料特性的拟合 设置的参数如下图所示 点击 fit and plot 出现金的介电 常数实部和虚部的拟合情况 从两条曲线可以看出 我们所选的材料在 400nm 800nm 之间的波段的拟合的很好 说明所选择的材料类型正确 第二 检查仿真运行所需内存 确保计算机有足够的内存来运行仿真 在 check 下选择 check simulation and memory requirements 就可以得 到仿真计算所需内存 如果需要的内存过大 超过了计算机的配置 就要考虑 修改参数以减小所需内存 精品文档 17欢迎下载 8 首次运行仿真时 要对计算机进行配置 点击 resources 出现下图所示对话框 点 run tests 按钮检查测试 是否成功 如果配置测试通过 下面的 status 一栏中出现 success 配 置成功后点击 save 保存 精品文档 18欢迎下载 9 运行仿真 点击 run 按钮仿真开始运行 仿真运行对话框如下图所示 10 仿真运行结束后 此时工程文件处于分析模式下 可以看到现在文件不能进 行编辑了 注意 layout 按钮现在不要去点 所有的仿真数据都被保存在分 析模式下 一旦返回 layout 模式下 仿真数据自动清除 精品文档 19欢迎下载 11 提取仿真数据 选中 monitor 在 result view 中就会显示仿真数据 右键单击 result view 下的 E 选择 new visualizer 就可以得 到电场分布图 精品文档 20欢迎下载 所得到的电场强度分布图如下图所示 在右侧的 export to 下拉 菜单中 JPEG 表示将结果保存为图片格式 text 表示将仿真数据导出到 txt 文 件中 二 金纳米孔阵列透过率仿真 在上面例子的基础上 只需要稍加改动 就可以对光穿过金纳米孔阵列的 传输特性曲线进行仿真 搭建模型过程与上面的例子相同 只需要在结构中添 加 frequency domain field and power 即可仿真得到透过率曲线 见 hole arrays Transmittance fsp 文件 对刚添加的 monitor 进行参数设置 在 general 选项下将 frequency point 设置为 200 其它参数的设置如下图 精品文档 21欢迎下载 修改光源参数 由原来的单一波长的光波变为波段在400nm 800nm 之间的 光波 参数修改如下图 精品文档 22欢迎下载 仿真透过率时应该注意 如果完全匹配层设置的太少 则仿真结果可能出 错 如果得到的透过率曲线中出现负值 则考虑是因为完全匹配层设置的过少 的原因 应适当增加完全匹配层 PML 的层数 我们仿真透过率时 在 FDTD simulation 下的 advanced options 选项下 修改 minimum pml layer 设置为64 maximun pml layers 的值设为128 如下图所示 精品文档 23欢迎下载 网格覆盖区域的参数设置如下图所示 考虑到计算机的内存容量 将网格 设