如何用fdtd仿真古斯-汉森位移


#1

老师您好,最近看的文献是有关古斯-汉森位移的,文献中用的是COMSOL软件,因为之前有接触过FDTD,所以想请问一下老师FDTD可以做相关的模拟嘛?(主要是看p和s偏振反射时候的位移大小)


#2

古斯-汉森位移现象可以用麦克斯韦方程表征,是可以仿真的。但是取决于你如何表征它,可能有不同的方法:
如果是膜层结构,仅计算p和s偏振反射的位相,可以参考超材料的例子:
https://kb.lumerical.com/en/index.html?metamaterials_s_parameters.html
https://kb.lumerical.com/en/index.html?metamaterials_effective_parameters_smith.html
如果是要看到这个位移,则需要用高斯光斜入射,参见这个例子
https://kb.lumerical.com/en/index.html?metamaterials_bulk_metamaterials.html

再有问题请详细说明你如何定量分析。


#3

谢谢您老师,附图是想得到的结果。我看过官网的例子了,但是还是有个问题:像图中石墨烯下面的材料是近零折射率材料材料(文献中介电常数的值设为0.0001+0.0001i,磁导率u=1),请问这种材料该如何设置呢?


像石墨烯下面的材料是近零折射率材料以及(n,k)材料如何设置
#4

此问题与题目不符,另开了一个帖子


#5

谢谢您老师,我根据官网的例子试着做了一个古斯汉森位移的模拟(源文件便是gh.fsp (1.0 MB)
),但是我在监视器中为什么看不到入射光、反射光的光路呢?
模拟的时候:
1、边界条件是根据官网的高斯光源入射的情况设置的,全是PML边界条件;
2、文献中是光源45°入射,f=10THZ(30um),高斯光束腰是3λ(腰半径设置为45um即1.5λ);
3、在设置这种ENZ(近零折射率材料介电常数=0.0001,磁导率u=1)的时候是用的:材料库–add–(n,k)material的方法直接设置材料折射率的实部是0.01,虚部是0。


#6

我认为你的模型可以采用2D的仿真,得到的结果应该也没问题。所以我将FDTD设置为2D,然后电场就是Z分量。
分析发现,背景折射率为1,你的材料为近0折射率,那高斯光在交界面上应当就会发生全反射!在这个过程中,光波不是绝对的在界面上被全部反射,而是透入介质中很薄一层表面(约一个波长),并沿界面传播一小段距离(波长量级),最后返回介质1,这种波称为隐失波(倏逝波)——梁铨廷物理光学P31。隐失波有一个特点——等幅面和等相面垂直,这点和一般的平面波不同,后面会看到。
而隐失波的存在就引发了古斯-汉森位移,而古斯-汉森位移是造成全反射时反射光相位跃变的原因。
说了这么多,上几张图。

Re(Ez) z分量的实部,虽然没有办法目测出汉森位移,但是它肯定存在,这你就需要想办法了。(红框部分入射光和反射光会叠加形成驻波)

Angle(Ez) z分量的相位,红色框出的部分就是隐失波(横着传了一段距离)

可以发现反射光已经开始发散了,同时强度也比较小,没有文献中那么清晰的高斯分布(这点可能需要处理一下,调整color bar之类的)
不知道你想要的是不是这种效果,顺带一提,http://cn.comsol.com/model/beam-splitter-14691 这个界面有COMSOL仿真的类似的结果。在交界面同样可以观察到我之前说的隐失波(同时应当伴随着古斯-汉森位移)

附上我修改后的文件
ljy1.fsp (239.1 KB)
PS:我试着把你的近0折射率材料换成PEC,发现效果是一致的。都是绝大多数被反射了。(不过关于孙老师说的“”如果仅设置材料的折射率就一个实部没有虚部,实部的数据不能小于1”我不是很清楚为什么)


#7

@Junyu_Li 谢谢你的回复!
我也发现此时光场进入材料里面很深,原来的设置不能得到预期效果。
为了减小PML 的影响,应该将下面的PML再远离界面;为了减轻衍射,束腰可以大一些,结果为


ljy1.fsp (1.6 MB)


#8

谢谢您的回答,非常感谢~


#9

谢谢老师啦~谢谢您,我先试着自己鼓捣一下,都没有问题了我再说明一下自己怎么弄的,然后再设置问题已解决吧~


#10

老师您好,我尝试着模拟并且与文献中的结果进行了对比。发现仅仅是模拟从空气到另一种介质表面的G-H位移的时候得到的结果与文献一致,可是当我在介质表面加一层石墨烯的时候发现G-H位移与不加石墨烯的时候结果几乎一致,麻烦老师看一下问题出在哪里了?谢谢您。
关于提取G-H位移我采用的是source-2作为参考光束,通过功率监视器对比source和source的峰值之间的间距即为G-H位移的方法。
主要问题是,当我加mesh或者把仿真区域变成3D之后,需要的内存之有几千G(因而用的是2D仿真区域并且没有加mesh),所以还想了解2D情况下我这样模拟石墨烯是不可行的嘛?附上我的仿真文件:2TE - g0.6ev.fsp (295.6 KB)


#11

麻烦老师指导一下这个问题吧谢谢您


#12

你好, 我們會盡快查看你的問題, 孫博休假了, 所以最新比較忙, 謝謝你的耐心。


#13

抱歉, 這樣久來回信, 最近太忙, 所以回信比較慢。今天休假, 所以有點空閒時間回信。

我看了你的彷真檔, 最大的問題是graphene不能做rotation。雖然你可以在2D rectangle中做rotation, 但材料模型現在沒有支持這功能。所以出來的結果不對。你要用graphene的話, 只能用在xy, yz, xz的平面上。

請你再修改彷真,如果你有跟進問題, 孫博這週會上班回覆。