关于特殊电场的功率问题

孙老师,您好,我做了一个三维的仿真。是将一束平面波w1入射到一对针锥结构,这对针锥gap之间会出现局域增强作用,同时因为非线性晶体的存在,产生倍频w2=2* w1。
现在我想要探测这个倍频w2的功率,然后除以入射平面波w1的功率,得到转换效率=w2功率/w1功率。
问题有以下几个,可能比较复杂:

  1. 入射平面波w1功率的计算。我发现由于是平面波,计算功率和面积大小有关,有以下几种方法:(1)sourcepower(f)得到功率(但与光源尺寸有关);(2)用公式 功率=0.5* epsilon * c E^2S(同样与面积S有关);这两种结果差异不大。但不管哪种方法,想要计算w1的入射功率,先得确定计算的面积有多大,但是我不知道该选择多大,究竟是选择在yz方向上和投影到晶体上差不多大的截面,还是选择光源尺寸面积?或者其他大小?

  2. w2功率的计算。因为这个w2是经过了局域增强作用,局域在这对针锥的gap里,如文件中的模型图,我想的是,既然是局域在gap的,那它应该不传播,应该探测一个gap附近的小范围,所以我在三维空间设置六个DFM面监视器(即图中M1情形), 探测其P和E,然后用(1)6个面上的P对面积分别积分,再求和得到功率;或者(2)公式 单个面的光强=0.5epsilonc*E^2对面积进行积分得到分功率,再6个求和得到功率。
    但是,后来我和其他人讨论,对方认为,w2光在gap总是会散射和传播出去,探测范围不必这么小,可以大一点,所以在三维空间设置六个DFM面监视器(即图中M2情形),然后用上面的方法计算功率。
    现在我比较疑惑的是,既然w2是局域在gap附近的,那我究竟该用小范围的M1还是用大范围的M2呢?

    按理来说,这种表面等离子体局域的结构仿真应该有不少,但是没找到计算增强功率的案例,所以不太明白类似那些小球局域的情况是怎么探测增强功率的。

  3. 正如论坛其他帖子所说,涉及到非线性的光学仿真,归化问题总是要弄清楚。我想问的是,在这个模型中,要想得到我这个功率的计算结果,是采用图中的DFM比较好,还是放置time monitor比较好,因为前者可以读出P、E、T,后者可以直接读出spectrum然后观察各频率的相对值。亦或您有更好的探测建议呢?

  4. 以上是从功率的角度考虑,如果从光强的角度,可能比较方便一些,比如,入射光强w1就是读取E然后用光强I的公式得到光强。
    但是出射w2光强比较难以计算,比如是点探测器还是面探测器,前者放在振幅最强的一个点处读取这个振幅再计算光强,还是后者放置6个面,“P对面积的分别积分”之和 除以 “6个面积”之和得到光强呢?

  5. 如文件中光源设置的那样,我尽量将w1设置地比较窄,以免在光源中有w2,此时似乎没有w2,所以计算出射w2的功率或光强时可能方便一些。如果说,我的这个光源频谱比较宽,含有w2,此时我想要计算出射的w2(通过w1倍频生成的部分)(且不考虑光源w2的能量转换,假设它一直不变)的功率或光强,就需要减去光源中的w2功率或光强对吗?而且,此时,用DFM在某个面探测w2的transmission,根据这个模型,由于能量转换生成了w2,所以T有可能>1对吗?或许可以利用(T-1)*光源w2功率=倍频w2功率,需要针对nonorm进行仔细计算。
    以上问题有些复杂,谢谢老师的解答!

A1: 平面波是这样.但是你的这个结构应该不是周期的吧? 如果不是,你可以用TFSF光源,仿真区大大减小,仿真就快多了

A2: 你有考虑将来怎么测试吗?
如果要计算功率,可以按你说的6个监视器.

一般是说增强,计算电场平方.计算效率有时使用功率.你需要考虑考虑是要最大的强度,平均强度还是功率.功率实际上考虑的是远场,并不考虑非传播场.

A3, A4: 计算功率显然是用六个频域监视器合适,因为时间监视器仅给出谐振频率,和所在点频域的相对强度,但是这个只是一个点的结果.

不同人有不同的方法,你当然可以用最强的场表示,也可以用功率,都没有问题.如果要测量,当然应该与实验一致.

A5: 这个很重要,因为实际上谐波的强度或者功率远比你光源中的要小的多. 你可以提取光源功率看看
f=[c/1.55e-6,2*c/1.55e-6];

?sourcepower(f);
我大致测试,两个波长的功率差别不大,因此你可能需要用准单色光测试,可以用这个例子的脚本

你这个Project目前还有很多问题需要斟酌.

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谢谢老师的回答。现在因为想要减少运行时间,所以如果对这个结构使用对称性边界条件来计算,也就是将这对针锥划分成1/4个针锥,它能仿真出和原来完整的一样的结果吗?
我看了下结果,倍频峰值还是有些差距。我感觉可能fdtd软件可能在对称减少了另一半结构之后不清楚这中间的局域原理。

谢谢老师的回答。现在因为想要减少运行时间,所以如果对这个结构使用对称性边界条件来计算,也就是将这对针锥划分成1/4个针锥,它能仿真出和原来完整的一样的结果吗?
我看了下结果,倍频峰值还是有些差距。我感觉可能fdtd软件可能在对称减少了另一半结构之后不清楚这中间的局域原理。

当然能了,要不然要这些对称性边界作什么? 当然如果设置不当有可能有点区别,比如,再用对称性边界之前需要设置仿真区的网格在YZ 方向对称

我不清楚你说的局域原理是什么。

另外, 局域电场的功率本身数学定义是什么?实验时如何测量?我发现最近一些帖子仅仅围绕一些文字术语提问,没有正确的数学定义和物理原理,这样不同的人解读不一样,很难得到一致的意见。请参考模板,详细说明你的问题: 请大家发帖前按照系统提供的模板描述问题

我想指的是,如果只有一根棒状结构,fdtd可能很容易计算出表面局域的结果;如果是周期性的分布,fdtd也能计算出周期之间的相互影响(相互作用)和每个结构自身的局域(单个作用);
但是如果结构是两根棒状端对端的相邻,并对该结构采用对称性边界,我不知道fdtd能不能“识别”出来两根棒子之间会影响,还是说只能“识别”出每个棒子自身的作用。
也就是说,fdtd的对称性边界,会不会是先计算出另一边,然后把结果给“镜像”过去了,如果是这样,应该是只能“识别”每个部分自身的作用,而不能计算出两个部分的相互作用。

以及:

测试了一下,修改成您建议的对称网格了,但是得到的结果和不设置对称网格一样。这个结果依然和不设置对称性边界有差距,按道理我觉得不应该有差距啊,甚至对称性应该更准确一点才对。应该以哪个为准呢?
以及,对称性边界和对称网格共同使用是不是最后的图像也是对称的呢?

必须是考虑到它们的相互影响,这一点请放心.

如果强制对称网格与没有强制,结果一样,那么用对称性边界条件必须得到同样的结果,否则就是其它地方出问题了.

差距多大啊?是一个量级还是好几个量级啊? 这种语言描述不能帮助解决问题.

对称性边界和对称网格共同使用最后的图像也必须是对称的;但是如果结构和光源不对称,那么结果就不会一样.使用对称性边界条件,这两个必须对称.

以后如果文件有修改,请发上来.很多情况下并不像所说的那样仅改另一个地方,导致很难查找问题所在.

好的,那这样最好了。

文件在论坛上上传不太方便,我通过其他方式传给您了,请您看一下,主要是time monitor中的spectrum,在193THz附近的两个峰值,在各个文件之间是不等同的。

我测试的结果是:
用对称性边界和对称性边界+强制网格对称结果完全一样:


image
可以看出不使用对称性的结果不一样(网格点见上):

所以我没有找到你说的不一样.

此时,显然应该以细网格(对称性)的结果为准.

是的,我想要表达的就是,image

但是,我总觉得,不用对称性网格的图要更为“好看一些”,比如在“不用对称边界”时两个旁峰是基本相同的,而用了对称边界,反而左边的要塌陷一点了。根据非线性原理,其实差/和频也应该是差不多的。
所以,以对称性边界和对称性网格为准,主要是因为它的网格更细吗?但其实我并没有在设置对称边界时调整网格的大小。
如果有必要,您可以将这个问题移到一个新的帖子。

对你的特殊情况,不强制对称的确好,因为时间监视器刚好位于Ey的位置;而对称是确需要插值:

你没有设置网格,是软件自动将放着周期设置为奇数网格点数,而不强制对称是偶数网格点数.

这种情况可不使用对称性网格.

请注意本帖子是讨论功率问题的.

我明白了,谢谢老师!