周期结构、宽光谱平面波斜入射时仿真应该使用什么边界条件(综合贴)

希望此帖子为这类问题提供一个清晰的解决方案。

使用周期性边界条件的前提是:结构和光源都必须举有周期性。平面波实际上有无限大的波阵面,用周期性边界相当于无限大。

问题:结构是周期的,当入射光为有角度入射,而非垂直入射时,fdtd仿真的边界条件应该用周期边界条件吗?还是bloch边界?均分别是怎么规定的?
A:周期结构、平面波入射时,在周期方向,一定是需要周期性边界条件。
在添加平面波时,需要选择平面波的类型:

  1. 垂直入射时,可以使用Periodic,光源编辑界面上Bloch/Periodic是缺省的设置。

2.斜入射时,取决于使用什么平面波技术,有两个不同的方法:
2.1. Bloch边界条件 这是一种普遍的边界条件,由于数学上要求它只能针对指定的波长有指定的入射角,其它波长的实际入射角将不同于指定的那个入射角,因此一般情况下,它适合单波长计算。多波长需要扫描波长,此时需要锁定材料拟合和网格生成的光谱范围。光源编辑界面上Bloch/Periodic是缺省的设置,监视器也需要设置为记录单波长。
更多说明参见

宽光谱+Bloch,需要插值,适合宽光谱多角度仿真

常见的问题:不收敛。主要原因,脉冲太短,需要在时间域设置长脉冲;另外,有些波长的光接近或者达到90度入射,由于周期效应,这些光场将反复谐振,使非物理的,需要减小这些波长的入射功率(即加长脉冲)。

2.2. BFAST技术
光源编辑界面上必须选择BFAST设置,这种平面波技术有自带的特殊边界条件,适合宽光谱固定角度仿真,下面这个帖子有详细描述,参见


此方法的角度限制

常见问题:发散。原因,PML和仿真的时间步长。前者可能需要使用Stabilizied或者Steepangle PML,或者增加PML层数,后者可以减小dt multiplier。

当然,对于大角度,例如80度以上的角度,不仅周期性边界需要设置正确,还需要采用steep angle的PML,另外其层数也可能需要增加。不仅如此,超大入射角对于BFAST技术一般比较有挑战性,不仅仿真很慢,而且很可能发散。

光源的一般介绍参见

周期结构结果分析:透射反射率、散射、远场、角分布、近距场分布、位相提取等 综合帖

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