请教fdtd模拟中结构表面的粗糙度要如何设置

粗糙
粗糙度
表面

#1

实际制造的器件都有一定的粗糙度,在一些应用中需要使用仿真来评价不同粗糙度对结果的影响。但是,由于粗糙度是一个随机过程的分析,而仿真只能对已经确定形状的结构来进行,也就是只能是deterministic,因此仿真必须首先要对粗糙表面的随机现象抽样,原则上必须遍态历经(随机光学用语)。然后再做随机结果分析,例如取平均值,所以仿真和分析很具有挑战性。
其基本过程应该是:
1:对表面粗糙度的分布(例如正态分布、均匀分布等)要有正确打分析和评估。不仅需要知道分布类型,还需要知道平均值、均方差、相关长度等参数。如果是随机粒子,还有其它方面的考虑。
2:重现这种粗糙度。 软件提供了一些常用的方法在结构组里可以使用,参见
Complex structures - Surface roughness
BRDF theory
物件库中有一个结构组rough_surf 可以使用。
用户也可以用自己的方法。

在设置随机参数时,还要考虑可以简便地修改。
3:选取合适的抽样个数来仿真。 仿真时一般采用周期边界条件(沿表面方向),其周期为相关长度的20到100倍甚至更多。

4:如果是在一些原本光滑的曲面上有粗糙度,用户还需要考虑是用随机小球、椭球(各向异性)、多面体或者是什么形状来表示这种粗糙。

最后是统计处理和随机过程特性参数分析。请充分注意这是一个随机过程,不同用户、不同方法、不同软件得到的结果不会完全相同。

需要说明的是,我们的分析组和例子里使用了randreset(seed),目的是为了让用户能重复。实际仿真时,应该使用 randreset,这个才是”真正“的随机数,每次都不同的随机分布才能获得统计结果。否则结果不具有统计特性,用户必须注意。有必要的话请参看随机过程或者统计光学的专著了解如果做统计平均。

由于其复杂性,建议用户针对自己的问题作详细分析,有问题请联系我们。

如果是原子力显微镜得到的3D表面,可以取一些列照片自输入到软件中,参见知识库例子


#2

请问0.2 ~0.3 nm的粗糙度代入模拟与光滑平面相比模拟结果会有很大差别么?也就是说这么小的粗糙度需不需要在模拟里面代入以力求模拟的准确性?谢谢


#3

“这么小”这个词要看与什么相比。如果与几何结构尺寸相比当然很小。有如此小的粗糙度是不是需要在仿真时考虑,我个人认为,需要看仿真时得到合适精度仿真结果的网格大小有关。如果这样的网格尺寸大于这种粗糙度,应该是没有必要;如果网格尺寸在这个粗糙度尺寸左右,就应该将粗糙度考虑进去。

当然,如何定义“合适精度仿真结果“也是个问题。我个人倾向于用户作收敛性实验,在PML、材料拟合、光源、监视器、共形网格技术(mesh refinement)以及仿真区大小等均”合适“的情况下,可以逐步提高仿真精度,看看仿真结果变化的大小,是否收敛于固定数值等。关于收敛性测试,请参见
Convergence testing for the FDTD solver