我们实验用的超材料是8*8个周期,仿真时如何设置边界条件?

在数学上,当我们说是周期结构并使用周期边界条件时,实际上暗示着这个结构在空间上是无限数目的周期。在仿真时,我们使用周期边界条件+平面波,也意味着结构是无限周期的,例如,不同厚度的膜层结构,参见附件1coating_stack.fsp (241.7 KB)。

但是,实际的器件,无论有多少个周期,都是有限的。特别是在微波段的超材料,实验时可能只有几个周期,在仿真时,应该如何设置横向的边界条件呢?

根据我的经验和对一些文献的理解,此时仍然可以用周期边界条件,也就是仅仿真器件中一个单元Unit cell。如果这些单元之间的偶合不是很强,此方法可以很好地与实验结果吻合。因为对超材料来说,主要的谐振发生在单元结构内部,而不是单元之间。

如果不放心,也可以仿真整个结构,此时不能再用平面波+周期边界,要用TFSF光源+PML。那么此时的透射率反射率仅具有参考价值,而不是绝对的结果。这是因为,透射率是按这个公式计算的
T= transmittedpower/incidentpower = transmittedpower/(intensity*area)
参见这个帖子。如果TFSF光源的横向尺寸,其面积area将发生变化,因此算出来的透射率仅具参考价值,但是其谐振一般是正确的。

也有人将整个有限周期的结构作为一个Unit Cell,用周期边界+平面波,此时的结果将取决于所设置的周期参数。原则上说,当周期数值非常大,以至于这种超级Unit Cell之间几乎没有偶合时,结果才是可信的。这里说的结果仍然是指谐振,透射率仍然是参考。这是因为,周期越大,直接透射的部分也越大。

个人认为,8*8 周期的结构可以使用周期边界+平面波。如果要与实验结果比较,实验结果的透射率需要归化调整才能直接与仿真结果比较。

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老师,您好,那假如我在硅基底上有8*8的金纳米颗粒,这些纳米颗粒会产生localized surface plasmon效应,但是其实如果颗粒间距较小,颗粒之间的场存在相互作用耦合的,这个时候按照您的建议,不能使用周期边界+平面波,那应该是用什么边界条件和光源得到正确的场增强以及吸收增强结果呢?

用不用周期边界+平面波,应该取决于你们要得到什么结果。你们现在要得到场增强以及吸收增强,应该是相对于没有金纳米颗粒时的,此时可以用周期边界+平面波,因为你们要的是局部效应,也就是中心部分。 如果要考虑边缘金纳米颗粒的效应,则可以用PML+TFSF仿真整个8*8阵列。