关于tfsf光源与监视器与particles重合的问题

  1. 如截面图所示,TFSF光源为白框区域,光源入射面与随机分布的particle相交,同样光源两侧也与随机particle相交。按官方说明,“each side of the source ‘sees’ the same refractive index profile”,是不是光源的两侧不能与particle相交,可是这样会在光源的两侧带来一个折射率突然变化的界面,想要保持光源内外折射率类似怎么办?
  2. 同样的,光源下方的监视器也会与particle随机相交,会不会有问题?

1:光源的两侧不能与particle相交,否则结果可能是错误的,参见这个帖子
2:想要保持光源内外折射率类似,你至少需要个参数,就是相关长度,就是这些随机粒子有一定的空间相关性。计算出这个数值后,可以按周期结构仿真,有文献说,周期的大小应该在20倍的相关长度。不过在光波段,一般这个相关长度比较小,可以用到50倍以上。同时,最好要保证光源4周不穿过任何粒子,否则会影响结果,因为TFSF大小改变结果就改变。
3:光源下方的监视器也会与particle随机相交,会不会有问题,取决于你监视器的目的,还有你这种随机粒子的具体情况。按你现在的图形,似乎随机粒子在空间上无限分布,如果使这种情况,你除了计算带结构,其它任何参数可能都没有物理意义。如果是有限的,可以计算散射截面等参数。你需要分析和找一些参考文献看看,也可以给我们进一步描述。

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可是很奇怪的一点是,同样的条件下,我用近似平行(NA很小)的高斯光入射,结果和TFSF的结果类似。

同样的问题,如果是高斯光,穿过粒子会对结果有很大影响么?

高斯光束的注入面应该是在均匀介质里面,其它没有要求。
用高斯光束也可以得到散射场,参见这个例子
不过,如果光源后面也有随机粒子,这样做的意义你需要考虑。
一般我们仅仿真沿光源有限长度的情况。无限长的情况物理意义不明确。

多谢孙老师,您看,按照你的建议,改为这样。还是探测随机分布particle的背散射,您看还有什么问题么?

高斯光注入,因为实际中NA很小,应该不用custom TFSF。

自己又试了下,上图所示的PML离结构太近,失效了。可是设置PML离结构半个波长,又会出现一个随机particle区域和周围均匀介质的界面,下图中红线所示,这整个界面会带来很强的散射信号。我们希望光只在particle区域传播,该怎么办呢?
随机分布的particle不适合用周期性边界吧?整个空间,particle都没有周期性分布。其实我们希望计算有限区域内随机particle的背散射,光传播方向只有particle,不想有其他变化的界面。其实如果不是随机particle都好办,边上设个基底和PML连上就好。但是,随机的particle就没法和边界连一起了。

如果你用高斯光束(NA或者标量),你需要
1:画出PML以外的所有随机粒子;
2:做两次仿真,有随机粒子和没有,后者做参考
需要用脚本获得散射结果,参见这个例子。但是,因为激光束的强度分布不均匀,实际上你得到的散射是局部的。

如用周期边界,就比较简单。随机分布的particle适合不适合用周期性边界呢?要知道,我们没有办法仿真无限多的粒子,例如在横向很宽的情况。研究人员提出,可以根据其横向空间相关长度大小,设置相应的周期边界来仿真,当然这是一种简化的方法,实际工作中我们常常把一些不可能的问题简化为可解决的问题,当然结果可以与实际试验比较以验证其合理性。这种方法已经有很多人再使用,没有问题。这篇文章是我审的你可以找来一读
Bistatic Scattering from A Three-Dimensional Object over Randomly Rough Surface in FDTD Algorithm
我记得文中说是15个相关长度作周期就可以。

如果你的随机粒子只有你最后这个图中显示的红色区域,那你完全可以用普通的TFSF光源,一切设置、分析就都简化为正常了。

多谢孙老师,是只有红色区域的particle,按您的建议,我理解了,就是particle填充整个TFSF区域就OK了,particle不与光源边界相交。然后TFSF边界和PML保持一段距离就行。应该是这样吧?

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孙老师,突然发现还是有问题,当particle很密的时候,其实应该近似成一个均匀的物体,这时候应该没有背散射才对。而实际上,我们发现,这时候用TFSF光源,背散射monitor得到的是一个和TFSF区域一样大的长方体的散射,这个问题应该如何解决呢?谢谢!

这个是对散射的理解问题。在你的情况,我们认为光在空气中直接传播没有散射,计算散射是根据没有散射体存在情况下的。当有散射体时,不管是均匀的还是随机的都有散射。

孙老师,理解你所说的,确实,均匀的也是一个散射体。主要还是我没表述清楚。其实我们的情况是只想考量一个分辨单元的散射,也就是之前um量级的particle聚集,而这些particle周围medium还是同样particle分布而不是空气。所以,是不是需要像您之前建议的,用周期性边界来算?但周期性边界中间也不能出现空气的间隔,不然又成了独立的um量级大长方体的散射。不知有没实例借助参考下。谢谢!

如果是这样,周期边界也不解决问题,因为它先沿一条边做一个参考仿真,如果没有碰上Paricle就不行。
我建议你参考这个例子自己做 https://kb.lumerical.com/en/index.html?ref_sim_obj_tfsf_custom.html

多谢孙老师,按您的建议,目前有两个问题:1.参考的例子主要是得到散射截面,我想得到particles近场背散射的光场分布。是有particles的时候得到一个DFTMonitor,减去没有particles的时候同样位置的DFTMonitor么(相同的mesh条件下)?有没有相应的例子,单个sphere的就可以。
2. 参考例子中设置的边界条件并不是完全的PML, 有x min symmetric和z min anti-symmetric,不太理解这样设置的原因,都设成PML不可以么?

多谢!

1:相减不就得到了particles近场背散射的光场分布了吗?如果仅看场,那就是更简单了。你可能需要在理解一下这种方法的思想。
2:都设置成PML当然可以。网上的例子是为了加快仿真速度。

好的,谢谢孙老师,主要是想确认下,我觉得是相减,不放心哇。

TFSF的原理就是这种相减的技术,只不过在仿真过程中自动进行了。

有个小问题,相减完得到的EX,EY,EZ,HX,HY,HZ怎么生成新的monitor result?因为用farfieldvector3d指令传到远场需要monitor name。相减完后就没有monitor name了。

我觉得线性系统,可以分别传到远场再相减,谢谢孙老师确认下可以这样操作么?