关于激励脉冲极化方向对谐波的影响

老师您好,我想复现这篇文章2018 Nature Physics Vol14 1006 Enhanced high-harmonic generation from an all-dielectric metasurface…pdf (1.2 MB) 的图2谐波结果。文献中对于激发极化方向为沿bar方向的平行极化结果比极化垂直于bar的结果大1个量级,激励垂直极化结果和unpatterned-Si的结果类似。但是在我复现的结果中发现,这三种激励极化方向的入射对谐波结果没有多大的影响(激励极化方向的设置,我的设置是这样的。对于沿bar方向的平行极化是将光源的polarization angle设为0度,对于垂直极化时将其设为90度,对unpatterned-Si时将没有bar和disk之别)。这是什么原因导致的呢?下图是文章的结果和我复现的结果以及复现时所用的模型。麻烦老师帮我查看下,谢谢。
HHG

HHG_2318-0-P.fsp (255.5 KB)

偏振方向设置是正确的.如果结构参数和周期正确的话,很可能是材料在谐波处的折射率不同.你提取折射率看看是多少,可以指定频率, 用这个脚本 https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360034409694-getfdtdindex
此外


非线性材料的本底折射率大概3.7.

另外可能是网格精度问题:谐波最短波长在250纳米附近,折射率大概3, 精度2 时对应的精度应该是250/3/10=8.3 纳米左右,但是你用的是20纳米, 相当于每个波长只有4个网格,导致计算精度大为下降.建议你采取如下措施:
Disable Override网格
修改这里


以及材料拟合

zh这个吸收尖峰应该不在感兴趣波长范围之内.

你试一下看看.

HHG_2318-0-P.fsp (273.3 KB)

谢谢老师的回复,我按照您的建议进行仿真后发现了一下的问题。
关于材料折射率问题
1、 模型中的结构参数和周期都是正确的,在指定波长为200-2500nm处我提取了非线性材料的折射率都为3.7(如下图)。由于Al2O3是衬底材料,所以我就对衬底材料拟合没有很大的要求,这样做会不会对谐波产生影响?

关于网格精度问题
1、 对于“我之前的模型中使用的是20nm的网格,相当于每个波长只有4个网格”这句话不是很理解,(我的理解是250/20=12个网格)。那您回复中的4个网格是怎样计算得到的呢?
2、 对于您说的“Disable Override网格”这句话,是不是本应该是勾选上您画出红色圈的内容?我的做法是将其勾选上,将mesh wavelength min和mesh wavelength max 设为200-2324时,发现运行需要的时间是175小时左右。在满足最短谐波波长的精度下(8.3nm),有没有什么办法可以减小运行时间?
3、 为了减少运行时间,我先检验HH5(464nm)的结果,按照您上面说的“谐波最短波长对应的网格精度的操作”,将“override simulation bandwidth for mesh generation”的最小波长设置为450nm,发现实际运行时间为1个半小时左右。在激励平行极化、垂直极化两种极化方式得到下面的谐波图。我发现除了谐波变得干净了,在垂直极化和平行极化得到的谐波强度的量级没有出现如文献中的一个量级的差别。那接下来我应该从哪些方面去解决这个问题?


4、 我有点不是很理解您在FDTD的下面添加一个折射率为1的矩形结构的具体含义?期待您的解答,谢谢了。

如果材料折射率色散比较大,应该是对结果有影响的. 如果是的话,你可以选中Chi3 Raman Kerr材料,选用合适的色散材料基础材料.image

A1: 还有折射率呢
A2:Disable Override网格就是不要使用这个网格了,因为它实际上将网格变粗了. 仿真时间很长是因为设置网格时用的波长范围太大了,200-2500nm.如果只要倍频,没有必要用200纳米.
A3: 软件是根据你设置的仿真时间估算所需要的CPU时间,实际并不一定需要那么长,你可以根据实际结束时的时间适当调整仿真设置的时间.我看这个5个谐波强度差不多都有一个量级的差别啊:


你可以提取结果看看到底差别是多少.

降低仿真时间可用较粗一点的网格,减小FDTD的ZSpan,一个波长即可,因为你对原波长结果不感兴趣,可以用2微米长就够了. 你可以Disable 不需要的监视器,例如Power监视器,因为你只需要几个波长的结果,100个波长是多余的,仅4个波长就可以看内部情况,可以用两个监视器,每个仅监测两个波长 (甚至都不需要这些监视器).

其它请参见 https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360041727474

1、对于更换材料方面的考虑,我想保持和文献给出的统一。对于您的第一次解答中“Disable Override 网格”我还是不清楚具体是说哪步操作??因为我本来传上去的.fsp文件中“override simulation bandwidth for mesh generation(FDTD-Advanced options-Mesh)”的这一项是禁用的。我是看了您第一次解答后才启用此项将mesh wavelength min 和max分别设为450nm(HH5的波长)和2324nm(基频波)。
2、对于您A2的解答中“如果只要倍频,没有必要用200纳米”这句话没明白,可以麻烦您再详细说明下么?因为我发现如果要在谐波最短波长(257nm)处满足精度2对应的精度的话,就必须将mesh wavelength min项设置为250nm,因为在图形窗口处可以用尺子量出其网格大小等于精度2所计算出的精度。那如果我将mesh wavelength min设置为非谐波最短波长的值的话,到时候网格大小就不能满足谐波最短波长的精度2的要求了。
3、可能是我表述不太清楚导致您对在A3中的“这5个谐波强度差不多都是一个量级的差别”的误会。我的本意是比较平行极化和垂直极化的HH5的强度应该相差一个量级如下图。


4、这个.fsp文件是我修改后的。麻烦您再帮我查看下若想要获得不同极化方向下的同一奇次谐波相差一个量级的结果,我这个.fsp文件还需修改哪些参数?谢谢老师了。HHG_2318-P_450-2000.fsp (265.1 KB)

A1: 禁用就可以,我是泛泛地说

A2: 我不知道你到底要考虑多少个谐波,波长越短,网格越小,仿真时间越长.我的建议是,为了加快仿真测试,可以少考虑几个谐波,比如考虑到两个谐波就可以,再看看其幅值怎么样. 要剔除问题,没有必要全部都考虑到,否则就太浪费时间了.此时要找主要矛盾.
HH
A3: 你是要比较不同极化的HH5? 这种情况下你可以用500多纳米最为最短波长,这样所需要的仿真内存可以减小将近8倍,仿真时间加快近16倍.

A4: 我美元发现有什么大问题,还是之前说的,材料与文献一样吗? 如果不知道文献中的材料数据,就很难重复.得到一样结果算是运气,因为没有坚实的支撑.

1、谢谢老师的解答。我本来是要考虑到第九次谐波(HH9)的不同极化的比较。但是我上图标出的HH5(460nm)就是为了加快仿真测试而只考虑HH5的,在只考虑HH5的情况下我的.fsp文件中用的最短波长是450纳米。是的,我上图就是为了比较不同极化的HH5的。
2、文献中只给出说材料是Si,没有给出Si更多具体的参数,所以我就用此文章重点引用的另一篇文献中给出的Si非线性参数进行了仿真。如果模型中没有很大问题的话,可能我需要再次确认Si材料非线性的正确性。

是的,材料参数不知道无从比较。 建议你比较二次谐波,它离信号频率最接近,折射率差别应该小。有个帖子提醒各种原因: 我的结果为什么与文献或实验结果不一致?

软件可以仿真一个谐波结果正确,其它也应该正确,主要差别在于折射率,你琢磨一下是不是。

好的,谢谢老师的解答。我试试看看

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严格地说,要重复结果,要求每个波长对应的折射率都要一样。如果不一样,有差别是应该的,没有差别反而不正常,那就是与折射率材料无关了,一般是不可能的。