FDTD操作案例2.doc

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得材料模型选取“Au (Gold)–CRC”,或者自建材料模型。参见hole arrays_E fied pro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,对几何参数与材料类型等进行编辑。参照下图。

先将“name”改为“Au 30nm”,在“Geometry”下设置金薄膜得几何尺寸,我们只需要对下图红框所示得左边一栏进行编辑,其中“x span、y span、z span”分别对应金薄膜得长、宽与厚度,而“x、y、z”表示其几何中心得坐标值,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得结果。

点击“material”,选择所使用得材料类型,如下图所示,选中“Au (Gold) CRC”,点“OK”保存即可。现在对金膜得几何尺寸与材料类型设置完成。

2、在金薄膜中添加小孔阵列。点击中得三角形,在下拉菜单中选择“Photonic crystals”。

然后在屏幕右侧得“Object”一栏中选中“Hexagonal lattice PC array”,点击“Insert”进行添加。

在左侧得结构树“object tree”中选中“hex_pc”,即我们刚才添加进去得六边形阵列,点击对它进行编辑。各参数设置如下图所示,其中“a”表示小孔之间得间距,即三角形孔阵得周期,“radius”表示小孔半径。设置完成后,点“ok”保存。

经过上面得步骤,我们搭建得模型得如下图所示。我们发现经过上面得设置所得到得三角形孔阵列其中两个小孔超出了金膜,为了好瞧起见,希望将多余得这两个小孔删掉,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得小孔。

在结构树种选择希望删除掉得小孔,所选择得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得按钮删除。

这时得到我们希望得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与缩小,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“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面上得大小与金薄膜大小相同,区别在于其z轴位置不同。在“general”、“geometry”与“frequency/wavelength”下得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轴得平面上得电场强度分布。
选择“monitor”中得“frequencydomain field profile”。“frequencydomain field profile”探测器对光场得计算比较精确,如果需要得到如透过率、反射率等与能量相关得量,则要选择“frequencydomain 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,只记录这个频率下得仿真结果就可以了。

Geometry 下得参数设置如下图。对于“spectral averaging and apodization”与“advanced”选项,保持默认设置不变。

在“data record”下对于我们不关心得输出选项,比如不勾选“Hx”、“Hy”、“Hz”,仿真运行之后不会保持这些分量得值,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“mesh setting”选项中将mesh accuracy设为4,设置得数值越高网格划分约细致,但就是我们同时要考虑计算机得内存,如果设置得数值过大,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。对于具有色散特性得金属材料,需要将“mesh refinement”选项设置为“conformal variant 1”,或者“conformal variant 2”。

“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得区域。我们得结构与光源具有一定得对称性,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得对称性,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“antisymmetric”,我们选择得就是平面光源,电场方向沿X轴极化,根据上面得准则,对称性得设置如下图所示。

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得划分,以使得仿真计算得结果更加准确。添加网格覆盖区域,就就是对这个区域内得网格重新划分,提高计算精度。因为本例子中金薄膜得厚度为30nm,计算色散材料需要更精细得网格,所以我们在金膜所在得区域重新划分网格。
在“simulation”得下拉菜单中选择“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。因为我们得金薄膜厚度比较小,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,检查材料特性得拟合。在“check”下选择“material explore”。

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,检查材料特性得拟合。在“check”下选择“material explore”。

在如下对话框中选择仿真中所用到得材料类型,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得好坏。如果仿真计算得光源不就是单一得频率,例如波段在400nm800nm之间,考察材料特性得拟合。设置得参数如下图所示。点击“fit and plot”,出现金得介电常数实部与虚部得拟合情况。从两条曲线可以瞧出,我们所选得材料在400nm800nm之间得波段得拟合得很好,说明所选择得材料类型正确。

第二,检查仿真运行所需内存,确保计算机有足够得内存来运行仿真。在“check”下选择“check simulation and memory requirements”,就可以得到仿真计算所需内存。如果需要得内存过大,超过了计算机得配置,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“run tests”按钮检查测试就是否成功。如果配置测试通过,下面得“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,可以瞧到现在文件不能进行编辑了,注意“layout”按钮现在不要去点,所有得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“result view”中就会显示仿真数据。

右键单击“result view”下得“E”,选择“new visualizer”,就可以得到电场分布图。

所得到得电场强度分布图如下图所示。在右侧得“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
在上面例子得基础上,只需要稍加改动,就可以对光穿过金纳米孔阵列得传输特性曲线进行仿真。搭建模型过程与上面得例子相同,只需要在结构中添加“frequencydomain field and power”即可仿真得到透过率曲线。见hole arrays_Transmittance、fsp文件。

对刚添加得monitor进行参数设置。在“general”选项下将“frequency point”设置为200,其它参数得设置如下图。

修改光源参数,由原来得单一波长得光波变为波段在400nm800nm之间得光波。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得太少,则仿真结果可能出错,如果得到得透过率曲线中出现负值,则考虑就是因为完全匹配层设置得过少得原因,应适当增加完全匹配层PML得层数。我们仿真透过率时,在“FDTD simulation”下得“advanced options”选项下,修改“minimum pml layer”设置为64,,“maximun pml layers”得值设为128。如下图所示。

网格覆盖区域得参数设置如下图所示。考虑到计算机得内存容量,将网格设置得太小时,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得透过率曲线了。在结构树下单击“monitor”右键,选择“visualize”下得“T”,就可以得到透过率曲线。

得到得透过率曲线如下图所示。