光源大於有限週期光柵尺寸的模擬設置問題
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老師您好，
想知道我的模擬結構架設是否有問題。(Q1~Q3)
模擬目標是想要得到：在光源尺寸大於光柵面積時，得到繞射光的強度和分佈。
Q1: 架構一
利用高斯光源提供Thin Lens的光源，我利用此種光源直接聚焦在我設計的光柵上，使光源尺寸大於光柵面積。然後再觀察Monitor的遠場結果。(擷取圖片時的偏振方向未修正，現在已改為90度)
如果仅仅要得到繞射光的強度和分佈，可以使用TFSF光源，将基底加宽：
即基底的面积要大于TFSF的横向面积，用监视器可以看近场的场分布。
此方法不能算远场分布，因为监视器边缘上的场很强。Ansys Insight: FDTD 初学者： 平面波和全场散射场tfsf光源有什么区别謝謝老師的回覆，
我嘗試將x , z 方向都用週期性邊界，光源TFSF垂直入射。
以下是我的架構和結果：
預期的場分佈是一個方形均勻的強度分佈，但是得到的結果都是上圖所示，比預期上的不均勻。
請問這樣的總廠分佈是合理的嗎？
如果是，那我應該要改求指定繞射階數的強度分佈(ex: 正一階和負一階)，請問我有什麼方式可以得到這些結果。
謝謝老師的回覆，
我嘗試使用高斯光源測試遠場結果，雖然有參考過老師的兩篇文章：
Q:标量高斯光束怎么设置束腰尺寸？
在FDTD 中的Gaussian 光源中，有两个选项，一个是标量高斯光束，实际上就是激光器输出的光束，尺寸相对比较大。由于是标量近似，不能随意将束腰的数值设置的很小，否则将违背标量结果的使用条件，产生严重的衍射。一般情况下，在光学波段，软件自动给出的数值已经是衍射极限。如果希望束腰更小，请使用矢量NA光源。
此外，这两种光源的聚焦点是可以设置的，缺省情况下光源注射面就是束腰位置（聚焦面）。如果不是，请另外设置，参见 Ansys Insight: FDTD 初学者：高斯光源问题
特别说明，在非光学波段，请验证束腰的大小。
关于用高斯光束近似模式： 一些人用标量高斯光束近似大模场波导的模式来解析计算，多数情况下应该没有大问题。但是应该用多大的束腰半径可能没有统一的标准。其实，这种方法是早期弱波导情况为了近似计算而做的假设，现在都可以用模式计算软件直接计算模斑尺寸。
Q: 对于矢量NA光源，如何验证腰斑的大小？
A: 注意，标量高斯光束是按强度下降到e-2计算束腰半径的，对矢量光束，几何光学定义的是数值孔径NA，而不是光斑尺寸，如果一定要定义，可以参考瑞利极限，或者参考Abbe衍射光束的光斑大小。
要“验证”的话，可以在添加监视器先找到轴向光强最强的地方，然后在这里添加横向监视器，这个就是在此网格精度下的聚焦面上光斑，你可以根据定义（是按高斯光束定义还是爱里斑定义）计算光斑尺寸。
由于光斑尺寸可能与网格精度有关，因此，你需要在指定网格精度下计算光斑大小，网格精度变化，结果可能有少量变化。
实际上是把不同概念的量混在一起了。
原论坛有几个贴讨论此问题，有时间我整理一下。
/forum/discussion/25736/ansys-insight-%E5%85%B3%E4%BA%8E%E9%AB%98%E6%96%AF%E5%85%89%E6%9D%9F%E6%9D%9F%E8%85%B0%E5%B0%BA%E5%AF%B8%E7%9A%84%E9%97%AE%E9%A2%98此帖子最初在原KX论坛，转移到此论坛后，有些链接可能有问题，待以后有时间再行修正。
https://us.v-cdn.net/6032193/uploads/6DEEE663HA1G/image.png
1: 设置高斯Gaussian光源常见的问题是，光束束腰waist 与 x-and y span（光源沿Ｚ方向注入）的关系
光束束腰是标量高斯光束的物理特性，给定波长，光束束腰决定光束的远场发散角。而x span 和 y span 是仿真时设定的光源几何参数。一般来说，span 应该远大于束腰，以几乎不截断光束为准。否则，就相当于给高斯光束添加了一个硬光栏，因产生衍射而影响仿真结果。
软件中会显示高斯光束分布的形貌（灰色帽形区），用户可以估计设置的span是否合适。当然，ＰＭＬ更不能截断光束。设置是否合理，可以再用更宽的几何span和仿真区相应的span仿真，并与原设置比较。如果变化可以接受，说明原设置是可以的。
2: Thin lens NA 光源
这是矢量光束，相当于理想显微镜物镜聚焦的光束，因此需要给出NA，即数值孔径的数值。
3: Multi-frequency beam calculation
新版zai Beam Options 中增加了一个选项：多频率的光束分布。如果不选此项，不同频率用的是相同的场空间分布，严格来说仅对中心频率正确。有时需要在整个仿真带宽内的场分布都正确，需要勾选此项，并需要给出要计算的频率点数和需要计算逆傅立叶变换IFT的点数。
注：不同版本此界面有不同，第一个截图是最新版本2021R1.1.
/forum/discussion/25200/ansys-insight-fdtd-%E5%88%9D%E5%AD%A6%E8%80%85-%E9%AB%98%E6%96%AF%E5%85%89%E6%BA%90%E9%97%AE%E9%A2%98
但是對於高斯光源的設定還是不太有把握。
以下是我的結構和參數：
x, z apan : 42 um
wavelenghth min/max : 0.632 um
使用 thin lens :
NA = 0.95
distance from focus : -10 um
number of plane waves : 200
# 不確定的部分是 distance from focus 這個距離是指光源的聚焦位置嗎？如果是，就代表結構與光源要設置在這個距離。
#同上一個問題，若選用 scalar approximation 並自訂光束束腰以及 distance from focus 以滿足光源尺寸大於光柵面積，這個 distance from focus 會變得很大。
使用 thin lens 的遠場結果：
我的farfield 是將結構設置非週期去計算。
另外，老師這邊說的'週期"是指FDTD的模擬範圍嗎？還是指 grating 本身的週期？
distance from focus 這個距離是指光源注入面即光源位置到聚焦位置的距离，之前链接有说明。
'週期"指 grating 本身的週期，不是指FDTD的模擬範圍 。
你现在用NA＝０.９５的矢量光束应该可以得到结果，但与你实验的可能有差别，我估计你实验时激光束面积远大于这几个周期的光栅，得到的结果类似于平面波照明，这也是为什么我一开始建议你用TFSF的原因，但是TFSF计算近场没问题，远场就有问题。
所以你的这个仿真比较有挑战性。
你先用没有光栅结构的情况仿真看看结果。根据你的结果，好像都衍射到高级大角度了。用球面上的结果看衍射角。謝謝老師的回覆，
我調整了一下模擬範圍和高斯光源的設定，
第一個case(高斯光源span 20, distance from focus : -20)
遠場結果：
第二個case(高斯光源span 20, distance from focus : -5)
遠場結果：
case 2 的設置應該才是正確的... 但是這個分佈是不是有些問題。
我有疑問的是，使用高斯光源時，光束應該如何設置才能同時滿足"範圍夠大"和"分佈均勻"？
應該要如何調整呢？
前面帖子里的文件正确，这次的又犯问题了：
基底必须横向超出仿真区；光源不能被PML边界条件截断，否则产生衍射！
"範圍夠大"和"分佈均勻"，你只能根据你的情况来决定多均匀才算均匀。
第二个文件合理。建议：你把光源靠近光栅，不需要再设置那个distance.你可以比较不同NA的结果，但是基底要设置正确
如果NA小光斑大，那就要增加仿真区尺寸，不能让PML截断光束，建议你用最大的固定的仿真区，然后改变NA比较结果。謝謝老師的回覆，
不好意思我誤會了，更正好的結構如下：
我模擬了 NA = 0.6, 0.8 ,0.9 , 1 ，這邊放上 NA = 1 的結果：
上圖是使用monitor 中 farfield 計算的遠場
下圖是利用farfieldexact3d 計算的 距離1m 遠場 E2強度 (請忽略x,y,z label單位)
為什麼遠場的分佈會是這樣呢？
預期中的"遠場繞射強度分佈"應該要是和繞射結構相同才對，還是這是所有繞射強度疊加造成的結果。
應該用其他方式單獨畫出僅有0階, +1階, -1階繞射的強度分佈？
謝謝老師的解釋，
我希望模擬的是"有限光柵"這個部分。
仿真方法的糾結是因為TFSF和高斯光源似乎無法直接地同時取得我想要的全部數據。
目前的實驗是希望透過模擬的方法來觀察"入射光源面積大於光柵面積時產生的繞射圖形"，
想證實符合以上條件時：
1. 繞射光的圖案會和光柵圖案相同。
2. 取得此時 +1, -1 階繞射的遠場強度data來作圖 (模擬暗場量測，CCD擷取的圖像)。
我決定先使用TFSF+PML來進行模擬，計算其遠場。
然後想問一下老師若是使用平面波+週期性邊界的以下架構，能夠用grating 腳本來計算得到我想要的結果嗎？
使用平面波+週期性邊界，能夠用grating 腳本來計算結果，周期需要足够大，使得不同单元之间相互不影响，但是K的分解是按这个周期计算的，能否分解正确，我不清楚，有时间测试一下。建议你先用双缝或者三缝计算，可以用普通光栅那种，即在完美金属Metal上刻孔，与理论分析接近的情况仿真，再与理论比较。
对于复杂的仿真，最好先用简单的有（近似）理论分析结果的验证，结果能够解释后再做复杂的。
你也同时用无限光栅仿真，看看衍射级，衍射角。如果衍射角大，我估计周期效应难以避免。
现在的困难是：
使用平面波+周期边界，需要很大的周期，确保周期之间的相互作用很小。这个怎么验证？你只能用很大，很大的周期，然后比较不同周期的结果。如果结果几乎不变，才算可以；
使用TFSF+PML，远场分析在理论上有可能，但是可以仿真，可能需要做后续处理，将监视器上的场用平顶的光滑函数将远离光栅部分的场逐步降低到零；
使用Gaussain光应该不能使用NA光源，因为其结果与平面波或者平顶光束的结果不同，之前的仿真已经验证了。你需要用大束腰的高斯光尽量使光栅部分的照明均匀。
自己构造一个平顶的光束：在稍微大于光栅部分面积内是均匀的，然后两边逐步下降：
可以参考这个例子 Using an equation to define the spatial field profile of a source in FDTD
这个方案可能比前面的还要好，但是如何选择高斯下降，中间平定部分多大合适，也需要反复测试，这方面有问题另外开贴。謝謝老師的回覆，
我使用TFSF+PML邊界條件模擬結果，在參考傅立葉光學的遠場繞射結果後，認為應該是沒有問題的。
我是利用 farfieldexact 腳本來計算並畫出在不同位置的遠場電場強度分布。
至於老師前面提到的"TFSF+PML遠場散射的0級強度結果不正確"的問題，我還在思考怎麼解決。
另外想請問一下老師，
如果在TFSF內部光源是平面波，那模擬的結果為什麼和直接使用平面波的結果有這樣的區別呢？
這是邊界條件的影響嗎？
(在結構為：平面波+週期性邊界 的模擬範圍兩邊有留>3um 的空間，希望可以降低週期結構之間的干擾)
Planewave+週期性(平面波)：
TFSF+PML(TFSF內部)：
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