FDTD操作案例

一基于A u薄膜正三角形孔阵列提取光场强度分布图本例子中取Au薄膜厚度30nm，三角形孔阵周期800nm，小孔直径600nm。

Au的材料模型选取“Au (Gold)–CRC”，或者自建材料模型。

参见hole arrays_E fied 文件。

1.添加金薄膜，打开FDTD Solution 软件后点击“structure”，添加长方体模块。

如下图所示。

点击，对几何参数和材料类型等进行编辑。

参照下图。

先将“name”改为“Au 30nm”，在“Geometry”下设置金薄膜的几何尺寸，我们只需要对下图红框所示的左边一栏进行编辑，其中“x span、y span、z span”分别对应金薄膜的长、宽和厚度，而“x、y、z”表示其几何中心的坐标值，均设置为0。

在“x span”中输入“*2+”，“y span”中输入“*sqrt(3)+”,“z span”中输入“”，对应金薄膜厚度为30nm，便可得到如下图所示的结果。

点击“material”，选择所使用的材料类型，如下图所示，选中“Au (Gold) - CRC”，点“OK”保存即可。

现在对金膜的几何尺寸和材料类型设置完成。

2.在金薄膜中添加小孔阵列。

点击中的三角形，在下拉菜单中选择“Photonic crystals”。

然后在屏幕右侧的“Object”一栏中选中“Hexagonal lattice PC array”，点击“Insert”进行添加。

在左侧的结构树“object tree”中选中“hex_pc”,即我们刚才添加进去的六边形阵列，点击对它进行编辑。

各参数设置如下图所示，其中“a”表示小孔之间的间距，即三角形孔阵的周期，“radius”表示小孔半径。

设置完成后，点“ok”保存。

经过上面的步骤，我们搭建的模型的如下图所示。

我们发现经过上面的设置所得到的三角形孔阵列其中两个小孔超出了金膜，为了好看起见，希望将多余的这两个小孔删掉，首先，如下图所示，在结构树下选中“hex_pc”，单击鼠标右键在菜单中选择“break groups”，不进行这项操作无法删掉多余的小孔。

在结构树种选择希望删除掉的小孔，所选择的部分会对应于结构视图中，如下图所示，此时，可单击右键选择“delete”进行删除，或者直接点左侧工具栏中的按钮删除。

这时得到我们希望的金纳米孔阵列如下图。

在左侧工具栏中选择可以对视图进行放大和缩小，鼠标左键放大，右键缩小。

3.添加平面光源。

在“source”下拉菜单中选择“plane wave”，如下图所示。

对光源参数进行设置。

在“general”中设置光源入射方向为z轴正方向，光源在xy面上的大小与金薄膜大小相同，区别在于其z轴位置不同。

在“general”、“geometry”和“frequency/wavelength”下的参数设置如下面三个图所示。

其它选项默认不变。

我们设置光源为单色光，波长为500nm。

设置完成后点击“ok”保存。

4.添加光探测器，仿真之后可得到垂直于z轴的平面上的电场强度分布。

选择“monitor”中的“frequency-domain field profile”。

“frequency-domain field profile”探测器对光场的计算比较精确，如果需要得到如透过率、反射率等与能量相关的量，则要选择“frequency-domain field and power”探测器，这个计算能量更精确一些。

对monitor进行设置。

在“general”下勾选“override golobal monitor setting”选项，设置“frequency point”为1，因为仿真所用光源为单一频率，只记录这个频率下的仿真结果就可以了。

Geometry 下的参数设置如下图。

对于“spectral averaging and apodization”和“advanced”选项，保持默认设置不变。

在“data record”下对于我们不关心的输出选项，比如不勾选“Hx”、“Hy”、“Hz”，仿真运行之后不会保持这些分量的值，可以有效减小仿真数据存储空间。

5.添加仿真区域。

点击“simulation”添加仿真区域。

如下图所示。

对仿真区域进行参数设置，如下面几个图所示。

在“mesh setting”选项中将mesh accuracy设为4,设置的数值越高网格划分约细致，但是我们同时要考虑计算机的内存，如果设置的数值过大，仿真运行时内存可能不够用，会导致仿真无法进行，如果此项数值设置过低，仿真结果可能不准确。

对于具有色散特性的金属材料，需要将“mesh refinement”选项设置为“conformal variant 1”，或者“conformal variant 2”。

“boundary conditions”参数设置如下图。

因为纳米孔阵列具有周期性结构，所以我们需要设置周期性边界条件，这样就可以只对最小单元结构进行仿真来模拟无限大的区域。

我们的结构和光源具有一定的对称性，设置对称性能有效减小仿真计算区域，提高效率。

设置对称性时要注意光源的对称性，如果极化方向与对称平面平行，则选择“symmetric”,如果极化方向与对称平面垂直，则选择“anti-symmetric”,我们选择的是平面光源，电场方向沿X轴极化，根据上面的准则，对称性的设置如下图所示。

6.添加网格覆盖区域。

在仿真计算中，我们往往需要在部分区域对网格结构进行更为精细的划分，以使得仿真计算的结果更加准确。

添加网格覆盖区域，就是对这个区域内的网格重新划分，提高计算精度。

因为本例子中金薄膜的厚度为30nm，计算色散材料需要更精细的网格，所以我们在金膜所在的区域重新划分网格。

在“simulation”的下拉菜单中选择“mesh”添加网格覆盖区域。

对“mesh”参数进行设置，如下图所示。

最小网格精度设置为2nm。

因为我们的金薄膜厚度比较小，所以最小网格尺寸要小一些仿真结果才能比较准确。

设置完成后点”ok”保存。

在运行仿真之前，还有两点需要注意一下。

第一，检查材料特性的拟合。

在“check”下选择“material explore”。

至此仿真模型搭建完毕。

模型结构如下图所示。

7. 在运行仿真之前，还有两点需要注意一下。

第一，检查材料特性的拟合。

在“check”下选择“material explore”。

在如下对话框中选择仿真中所用到的材料类型，本例子中选择“Au(Gold)-CRC”,因为光源设置为单色光，只有单一频率，所以无法考察材料拟合的好坏。

如果仿真计算的光源不是单一的频率，例如波段在400nm-800nm之间，考察材料特性的拟合。

设置的参数如下图所示。

点击“fit and plot”,出现金的介电常数实部和虚部的拟合情况。

从两条曲线可以看出，我们所选的材料在400nm-800nm之间的波段的拟合的很好，说明所选择的材料类型正确。

第二，检查仿真运行所需内存，确保计算机有足够的内存来运行仿真。

在“check”下选择“check simulation and memory requirements”，就可以得到仿真计算所需内存。

如果需要的内存过大，超过了计算机的配置，就要考虑修改参数以减小所需内存。

8.首次运行仿真时，要对计算机进行配置。

点击“resources”，出现下图所示对话框，点“run tests”按钮检查测试是否成功。

如果配置测试通过，下面的“status”一栏中出现“success”。

配置成功后点击“save”保存。

9.运行仿真，点击“run”按钮仿真开始运行。

仿真运行对话框如下图所示。

10.仿真运行结束后，此时工程文件处于分析模式下，可以看到现在文件不能进行编辑了，注意“layout”按钮现在不要去点，所有的仿真数据都被保存在分析模式下，一旦返回“layout”模式下，仿真数据自动清除。

11.提取仿真数据。

选中“monitor”，在“result view”中就会显示仿真数据。

右键单击“result view”下的“E”，选择“new visualizer”,就可以得到电场分布图。

所得到的电场强度分布图如下图所示。

在右侧的“export to ....”下拉菜单中，JPEG表示将结果保存为图片格式，text表示将仿真数据导出到txt文件中。

二金纳米孔阵列透过率仿真在上面例子的基础上，只需要稍加改动，就可以对光穿过金纳米孔阵列的传输特性曲线进行仿真。

搭建模型过程与上面的例子相同，只需要在结构中添加“frequency-domain field and power”即可仿真得到透过率曲线。

见hole 文件。

对刚添加的monitor进行参数设置。

在“general”选项下将“frequency point”设置为200，其它参数的设置如下图。

修改光源参数，由原来的单一波长的光波变为波段在400nm-800nm之间的光波。

参数修改如下图。

仿真透过率时应该注意，如果完全匹配层设置的太少，则仿真结果可能出错，如果得到的透过率曲线中出现负值，则考虑是因为完全匹配层设置的过少的原因，应适当增加完全匹配层PML的层数。

我们仿真透过率时，在“FDTD simulation”下的“advanced options”选项下，修改“minimum pml layer”设置为64，,“maximun pml layers”的值设为128。

如下图所示。

网格覆盖区域的参数设置如下图所示。

考虑到计算机的内存容量，将网格设置的太小时，所需内存过大，则仿真无法进行。

检查仿真计算内存需要，然后运行仿真，计算结束后，进行如下操作，就可以得到金纳米孔的透过率曲线了。

在结构树下单击“monitor”右键，选择“visualize”下的“T”，就可以得到透过率曲线。

得到的透过率曲线如下图所示。