x方向为PML,Y方向为周期边界的远场投影计算

script
fdtd
farfield

#1

周期结构远场投影脚本问题 继续讨论:

随着我继续研究,又发现了一些新的问题,想在这请教一下孙老师。
我想实现反射式超透镜,对正入射的光实现汇聚。(作用类似于柱面镜,汇聚成一条线) 因此x方向采用PML,Y方向采用周期性边界条件,入射光为平面波,Y方向偏振。

1、此时,这种边界条件设置可否使用 平面波 (x方向采用PML,Y方向采用周期性边界条件)

2、之前讨论的远场获取,周期性结构用 grating czt 平面波分解的办法,非周期结构 用 farfieldexact获取远场,那现在这种边界条件情况下,该如何获取远场呢(前面两种方法好像都不行 我测试了将y方向也设为PML,结果和设为周期性差别很大) 现在的办法是把FDTD仿真区域拉得很大,直接计算(z方向 100um勉强可以,但是我还想把焦距设置的更远一些,那时就没办法直接仿真了)

下面是我采用的模型。
正入射非周期汇聚_中心半径最大_f30um_N13.fsp (256.9 KB)


#2

A1:严格说不可以,因为PML将平面波截断产生衍射。但是,如果是PEC,或者这种衍射对结果影响很小,则可以近似使用,例如这个例子 https://kb.lumerical.com/en/index.html?sp_focusing_with_subwavelength_aperture.html

A2:你确认Y方向是周期的?如果是,只能采用TFSF,得到近场没有问题。要得到正确的远场,可能需要花时间找方法处理。例如,用一些列线监视器先处理周期方向,再用CZT处理另外一个方向。或者其它处理方法。

另外,能不能将它简化为2D仿真有限大小,而另一方向相当于无限大,就是周期方向?


#3

1、好的,那我试着对比一下使用平面波和TFSF的差别。
2、对,Y方向是周期性的,因为它只在x方向将光汇聚。
High efficiency near diffraction-limited midin.pdf (2.5 MB)
文中的附图可以看出x方向是有变化的,y方向是不变的。



PS:因为是圆盘结构,用2D仿真可能不行。

然后,关于老师你说的 处理远场的方法,我不太明白,能否详细介绍一下呢,或者是有什么相关的例子吗?
不过,如果没办法得到这种设置下的远场,我可以在y方向多绘制10-20个周期,然后x y方向均用PML ,采用farfield来处理吧。


#4

我浏览一下之前相关的帖子,说到的不多。
有一句话——3维仿真而结构仅在一个方向有周期性,此时需要用TFSF光源。
1、此时TFSF光源尺寸在周期方向应该宽与FDTD吧?。
2、接着前面的讨论,我想用平面波入射观察反射光的汇聚效果,因此我把平面波光源设置在离结构很近的位置,让监视器的绝大部分都监视反射场。但是此时如果将光源换成TFSF(位置不变,也是离结构很近),似乎就没有办法达到我想观察的结果(此时监视器观察的主要为散射场,散射场几乎没有汇聚效果);如果将光源远离结构,那监视器观察到的就是全场,但是是入射场和反射场的叠加,并不是我想要得到的。这种矛盾是不是没办法调和呢?
3、我试着观察了没有结构时候,PML对平面波的衍射效果,发现在没有结构的时候也会出现类似“聚焦”的效果。
我认为这会对有结构时的仿真存在干扰。然后我试着用有结构的电场幅值减去没有结构的电场幅值(非相干的叠加),试图消除PML衍射的影响,发现有些部分电场为负了。说明这种方式并不科学。不知道有没有办法消除PML衍射带来的影响?

以下均为平面波入射y方向偏振(模型之前已发),x
没有微结构(仅有一层金属起反射作用)的电场幅值:

有微结构的电场幅值:

下面是把 有结构的电场幅值减去无结构时的电场幅值,再平方得到的(感觉很有问题,不过焦距和我设置的30um比较一致)


#5

此种结构仿真的光源和处理是比较棘手,知识库没有介绍。
也许就用PML影响不是很大。
如果用TFSF,此时TFSF光源尺寸在周期方向应该宽与FDTD;
如果用TFSF要监视反射,就需要将监视器放到TFSF内部,通过远场投射的方向选取反射。
farfield3d

原则上说,当有结构时的平面波衍射与没有结构是不无安全一样的,得到负值问题不大,对会聚影响小,因为衍射部分的强度必竟很小。