FDTD操作案例2Word文档格式.docx

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先将“name”改为“Au30nm”，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“xspan、yspan、zspan”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“xspan”中输入“0.8*2+0.6”，“yspan”中输入“0.8*sqrt（3）+0.6”,“zspan”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。

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“Photoniccrystals”。

然后在屏幕右侧的“Object”一栏中选中“HexagonallatticePCarray”，点击“Insert”进行添加。

在左侧的结构树“objecttree”中选中“hex_pc”,即我们刚才添加进去的六边形阵列，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。

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。

3.添加平面光源。

在“source”下拉菜单中选择“planewave”，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。

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-domainfieldprofile”。

“frequency-domainfieldprofile”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-domainfieldandpower”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“overridegolobalmonitorsetting”选项，设置“frequencypoint”为1，因为仿真所用光源为单一频率，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“spectralaveragingandapodization”和“advanced”选项，保持默认设置不变。

在“datarecord”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。

5.添加仿真区域。

点击“simulation”添加仿真区域。

对仿真区域进行参数设置，如下面几个图所示。

在“meshsetting”选项中将meshaccuracy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“meshrefinement”选项设置为“conformalvariant1”，或者“conformalvariant2”。

“boundaryconditions”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“materialexplore”。

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。

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“fitandplot”,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“checksimulationandmemoryrequirements”，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。

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“runtests”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。

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。

11.提取仿真数据。

选中“monitor”，在“resultview”中就会显示仿真数据。

右键单击“resultview”下的“E”，选择“newvisualizer”,就可以得到电场分布图。

所得到的电场强度分布图如下图所示。

在右侧的“exportto....”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-domainfieldandpower”即可仿真得到透过率曲线。

见holearrays_Transmittance.fsp文件。

对刚添加的monitor进行参数设置。

在“general”选项下将“frequencypoint”设置为200，其它参数的设置如下图。

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。

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“FDTDsimulation”下的“advancedoptions”选项下，修改“minimumpmllayer”设置为64，,“maximunpmllayers”的值设为128。

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，将网格设置的太小时，所需内存过大，则仿真无法进行。

检查仿真计算内存需要，然后运行仿真，计算结束后，进行如下操作，就可以得到金纳米孔的透过率曲线了。

在结构树下单击“monitor”右键，选择“visualize”下的“T”，就可以得到透过率曲线。

得到的透过率曲线如下图所示。