FDTD操作技巧案例解析2.docx
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FDTD操作技巧案例解析2.docx
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FDTD操作技巧案例解析2
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holearrays_Efiedprofile.fsp文件。
1.添加金薄膜,打开FDTDSolution软件后点击“structure”,添加长方体模块。
如下图所示。
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先将“name'改为“Au30nmi',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。
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Jptic«2m fillofi mceK &ndl«xwits _overrlil mtsharlir Stl1«.ttriV-c.t.as ■p-jdrih&tc 中的三角 2.在金薄膜中添加小孔阵列。 点击 形,在下拉菜单中选择“Photoniccrystals ■—I 4M-MlITf«f FV1>Ltf-U AOZ"iwgi □a! u 百A4. x< sdwF***" S^vrd Ti^»-.£uu.cuafEmBF^k Klvliiprir.j *Vwai -LlTu-p 九*4屮VP-'rat'JJWL«d*b'^BMEE* 11: Ml 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。 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"breakgroups”,不 进行这项操作无法删掉多余的小孔。 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。 fr^ IAI.JM* ■县i "MP*j •jfevMNfl ■d>*c・ ■=-£ta Cidi ••又・ .MCkb GREli ■mhi Cxda ・ ■Bj寸 •■ 1・ mix^ri ■二“—ni—'■|Kjj■■■4 ■£jfaia#*,fr.-i-r-.■! ■ Nj*wSwtMadiW3 ―r-rnpyn 聊■'忡 Mt+jeiILr>vic'Car*号 j Mfea^i-wiiill4*--dlA'bIUbT uuuw • V«|.*JIbiu宾hpincilcctt-w«J 曲耐山jh ♦bm^siLLIvlErG. 业应uiM—IM 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“advaneed”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。 如下图所示。 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。 第一,检查材料特性的拟合。 在“check”下选择“materialexplore 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”,就可以得至仿真计算所需内存。 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 ”按钮检查测试 success”。 酉己置 点击“resources”,出现下图所示对话框,点“runtests是否成功。 如果配置测试通过,下面的“status”一栏中出现“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。 LesuLtVie*一nonitor Switchtotableview rn 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。 0.127 -0.120 —0.113 0.106 O.OSB Vrtbill” V£Liziz=r1 FitIlypei Lin* *>£iur±4Ct Vector Plat JPEG "text Clipboard K(micronsj ■/P-azrfn-ctate” DixFlicstc 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hole arraysTransmittance.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-80Onm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PM啲层数。 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。 如下图所示。 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。 ■rirajjnu-uy^L Name ■circle 7circle ■circle ■circle 7匚irde 电source FUTD ▲mesh monitor ResullVi艸-mcnilor Jresults Editobject FDTD Mesh DFP^- Type Circle Circle Circle Circle Circle PlaneSour XZ Visualize 得到的透过率曲线如下图所示 J,.. 0.40.450.50550.50.05Q.75030.35 ^ambdaCmicrcns) .jmer™.JfDTE'Sdulcns-La^
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