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Photonics – Chinese

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关于fdtd中相位差phi与光程差对应不上的问题

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    • 18205091986
      Subscriber

      老师您好,我用fdtd建立了一个对任意波长完全反射的沟槽表面,沟槽深度为1微米,xy为周期性边界条件,z为pml边界条件,入射光是波长为500纳米的单色平面波,电场偏振方向沿x轴方向,光源沿z轴负方向注入,注入位置离结构表面上方0.5微米,在光源背后放置监视器x-y(frequency-domain-field profile),得到反射光的Ex场分布和相位分布,对相位解包之后,但是为什么沟槽底部和顶端的相位差始终不满足phi=2kz=(2pi/lamda)*z呢,按理来说相位差应该等于8pi的,但是差值只有零点几?

      另外,如果监视器放到光源前面,得到的场分布是入射光与反射光直接矢量叠加(实部与虚部分别相加)之后的结果吗?这是否相当于驻波?

      x-z面仿真分布:

    • Guilin Sun
      Ansys Employee
      第一个问题,沟槽底部和顶端的相位差始终不满足phi=2kz=(2pi/lamda)*z: 位相正常情况下是-Pi到+ Pi,整数部分需要人为修正;此外,由于离散误差,仿真结果与实际物理有一定差别。
      unwrap 并不保证得到绝对位相,只是有一个参考点,其它地方或者其它波长的位相可以大于Pi而已。
      第二,如果监视器放到光源前面: 是的,是驻波,入射和反射光有叠加。
      不相关的问题:这个结构是悬空的吗?请斟酌。
    • 18205091986
      Subscriber

      第一个问题,沟槽底部和顶端的相位差始终不满足phi=2kz=(2pi/lamda)*z: 位相正常情况下是-Pi到+ Pi,整数部分需要人为修正;此外,由于离散误差,仿真结果与实际物理有一定差别。

      unwrap 并不保证得到绝对位相,只是有一个参考点,其它地方或者其它波长的位相可以大于Pi而已。

      第二,如果监视器放到光源前面: 是的,是驻波,入射和反射光有叠加。

      不相关的问题:这个结构是悬空的吗?请斟酌。

      /forum/discussion/comment/135602#Comment_135602

      老师您好,非常感谢您的回答!!
      1.首先,您说的离散误差是指因为fdtd将仿真区域离散成一个个网格(yee元胞)的形式,网格的大小会直接影响最后的仿真结果吗?之前我仿真采用的网格精度都是3,然后我提高了网格精度将其变成了4、5,发现根据监视器直接得到的沟槽底端和顶端的相位差值确实逐渐变小了。直接用unwrap解包并不能得到绝对位相,那么人为解包又应该怎么解才能得到正确结果呢?
      采用不同网格精度得到的反射光相位分布(x-y截面,从上到下精度依次为3、4、5,相位最大最小差值逐渐减小):
      2.在光源前面,任何时候得到的结果(电场、相位等)是不是都是入射光与返回的光在相应位置上的矢量叠加(复数矩阵直接相加)?那这样如果要得到光源前面返回的光的场分布,只要直接减去相应位置入射光的场分布就可以(总场复数矩阵减去入射场复数矩阵)
      3.高斯光源设置有两种方法:标量近似法和薄透镜法,我在visualize beam data里看到注入面的光场分布,按理说不应该都是较平滑的高斯包络吗,为什么用薄透镜法得到的包络两侧会有起伏,而且我设置的高斯光源振幅为1,在用薄透镜法设置NA=0.55的光源时,束腰位置(即聚焦位置)处的电场振幅确能够达到2,在设置高斯光源时应该怎么验证自己设置的是否正确呢?后期我想搭建一个玻璃材料的沟槽结构,采用高斯光源入射,得到返回的散射场分布,如果是这样我的x、y边界条件该怎么设置呢?我自己想的是x、y方向都设置成周期性边界条件,z方向设置成PML,这样相当于认为这个结构在x方向是一个周期性阶跃结构,在y方向沟槽长度无限长。
      标量近似法,waist radius=1um,distance from waist=-2um:


      薄透镜法,NA=0.55,distance from focus=-2um:


      4.您说的悬空是指在仿真区域内这个结构没有任何基底吗,如果是这样,那这个结构就是悬空的,因为后面想用可见光透射玻璃材料的沟槽结构,想问一下悬不悬空对得到的结果会有影响吗?
    • Guilin Sun
      Ansys Employee

      A1:人为解包也不能得到正确结果,因为超过 Pi 的整数倍在位相中无法保留了,需要你根据厚度等重建。

      A2:可以,不过有点复杂。如果你只是像得到位相,可以修正,参见 Metamaterial S parameter extraction 以及这个例子 Metamaterial parameter extraction - Smith

      A3:薄透镜光束就是通过显微物镜后聚焦的光束,焦面上的场当然比较强了。其次它也是衍射光束,所以有旁瓣,至于中心凹陷,也可能与选择的平面波点数有关,你选用奇数个试一下。这个是合成光束,与理论有少许偏差,一般情况是可以的。

      A4: 好吧,悬空与不悬空结果可能大不同,相当于谐振腔,两边的折射率不一样谐振的强度也不一样。

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