FDTD Solution入門(mén)

1、FDTD_getting_started翻譯配合FDTD_getting_started看1. 介紹用FDTD Solutions進(jìn)行模擬是很簡(jiǎn)單的。首先，創(chuàng)建一個(gè)FDTD Simulation Project文件（擴(kuò)展名為*.fsp）。它包含了關(guān)于物理結(jié)構(gòu)，光源，監(jiān)測(cè)器，模擬參數(shù)的細(xì)節(jié)。保存這個(gè)工程文件然后運(yùn)行模擬。運(yùn)行完后，結(jié)果數(shù)據(jù)會(huì)加到fsp文件，用于分析。模擬的通常步驟如下圖所示。在接下來(lái)的章節(jié)中有更詳細(xì)的描述。1.1 什么是FDTD？時(shí)域有限差分方法已經(jīng)成為目前最新的在復(fù)雜幾何條件下解決麥克斯韋方程的方法。它是一個(gè)完全的矢量方法，既給出時(shí)域也給出頻域的信息，它給電磁學(xué)和光子學(xué)的所有類(lèi)

2、型問(wèn)題都提供了獨(dú)特的視角。這個(gè)方法在空間和時(shí)間上都是離散的。電磁場(chǎng)和目標(biāo)結(jié)構(gòu)材料都在一種用所謂的Yee元胞組成的獨(dú)立的網(wǎng)孔中來(lái)描述。麥克斯韋方程在離散的時(shí)域中解決，所用時(shí)間步長(zhǎng)和光通過(guò)網(wǎng)孔尺寸所用時(shí)間有關(guān)。當(dāng)網(wǎng)孔大小趨于零時(shí)，這個(gè)方法確切的描述了麥克斯韋方程。供模擬的結(jié)構(gòu)可以有各種各樣的電磁材料特性。多種源可以加入到模擬中，連續(xù)迭代（重復(fù)）可以使電磁場(chǎng)隨時(shí)間傳播。一般的，模擬運(yùn)行后會(huì)直到在模擬區(qū)域基本上沒(méi)有電磁場(chǎng)剩下才停止。時(shí)域信息可以在任何空間點(diǎn)被記錄。這些數(shù)據(jù)可以在模擬的時(shí)候記錄下來(lái)，也可以作為一系列快照在任何用戶(hù)定義的時(shí)間記錄下來(lái)。任何空間點(diǎn)的頻域信息可能可以通過(guò)對(duì)該點(diǎn)時(shí)域信息的傅里葉變

3、換得到。因而在一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬中得到的基于能流和模型文件的頻率可能分布在很廣的頻率范圍。另外，F(xiàn)DTD獲取的近場(chǎng)結(jié)果可能被轉(zhuǎn)成遠(yuǎn)場(chǎng)的，這對(duì)于研究散射是很重要的。1.2 第一步：創(chuàng)建物理結(jié)構(gòu)版圖編輯器（圖略）用Structures列表創(chuàng)建幾何結(jié)構(gòu)。他們的特性用EDIT編輯。工具欄，在左邊。用Aligning按鈕安排對(duì)象的位置。材料特性：可自行定義或從數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇。1.3 第二步：設(shè)置模擬區(qū)域和時(shí)間用ADD SIMULATION REGION設(shè)置：模擬區(qū)域，其大小和位置，網(wǎng)格精度，合適的邊界條件。模擬區(qū)域的大小：在包含所需模擬的區(qū)域的情況下盡可能小，減少模擬時(shí)間。網(wǎng)孔精度：一般開(kāi)始設(shè)為1或2，可以快

4、很多。一般的，網(wǎng)孔間距設(shè)為小于最高折射率材料中波長(zhǎng)的1/10。對(duì)于波長(zhǎng)量度的結(jié)構(gòu)，要減小網(wǎng)孔間距。邊界條件：通常有吸收邊界條件，周期性邊界條件，金屬邊界條件。PML可以用作吸收邊界條件。對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)邊界條件可能永遠(yuǎn)某些對(duì)稱(chēng)問(wèn)題中減小模擬區(qū)域。布洛赫邊界條件可以用于光子能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算。模擬時(shí)間模擬時(shí)間可以設(shè)長(zhǎng)點(diǎn)，場(chǎng)衰減到接近0時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)停止模擬。經(jīng)驗(yàn)上，模擬時(shí)間為光通過(guò)模擬區(qū)域所需最大時(shí)間的兩倍。t>2nL/c。n為材料最高的折射率。1.4 第三步：源用SOURCES添加輻射源。源類(lèi)型：點(diǎn)光源高斯光源和平面波源 可用于變形表面和納米粒子衍射研究?？倛?chǎng)散射場(chǎng)源TFSF 粒子衍射?？倛?chǎng)區(qū)計(jì)算

5、所有場(chǎng)（入射和衍射），TFSF邊界外區(qū)域只計(jì)算衍射場(chǎng)。模式光源 用于波導(dǎo)、集成光路。外來(lái)光源 其他光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具光源。1.5 第四步：定義監(jiān)視器監(jiān)視器用來(lái)記錄電磁場(chǎng)之后的繪圖和數(shù)據(jù)分析。根據(jù)不同的應(yīng)用和需要可以使用不同類(lèi)型的監(jiān)視器。除了基本的監(jiān)視器，還可以創(chuàng)建復(fù)合的監(jiān)視器（分析組）。監(jiān)視器種類(lèi)Index monitors允許用戶(hù)觀看和分析模擬區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)的折射率的實(shí)部和虛部。時(shí)間監(jiān)視器記錄和保存模擬時(shí)用戶(hù)規(guī)定的點(diǎn)的間隔一定時(shí)間電磁場(chǎng)的值。它可以是一個(gè)點(diǎn)，線(xiàn)段，平面或立體。Movie monitor 記錄場(chǎng)的變化。頻域場(chǎng)描述監(jiān)視器 記錄一定頻帶寬度的穩(wěn)定頻率響應(yīng)。頻域功率監(jiān)視器 和頻域場(chǎng)描述監(jiān)視

6、器差不多。測(cè)的是能流。1.6 第五步：運(yùn)行模擬創(chuàng)建完模擬對(duì)象后，保存文件，在SIMULATION菜單選擇RUN FDTD。內(nèi)存要求：SIMULATE菜單/CHECK MEMORY REQUIREMENTS. 內(nèi)存取決于網(wǎng)孔數(shù)量和監(jiān)視器數(shù)量，越多需要內(nèi)存越大。檢查材料是否合適：檢查材料性質(zhì)是否正確和適當(dāng)。在工具欄中或SIMULATION選項(xiàng)。模擬的實(shí)際用時(shí)：軟件在Run Dialogue Box中估計(jì)實(shí)際用時(shí)。要減少用時(shí)可以增加所用的計(jì)算機(jī)核心數(shù)目或用網(wǎng)絡(luò)集群計(jì)算。Run Dialogue Box：顯示運(yùn)行任務(wù)，剩余時(shí)間，進(jìn)度及每個(gè)源的時(shí)間包絡(luò)函數(shù)。1.7 第六步：繪制結(jié)果和分析數(shù)據(jù)模擬中由監(jiān)視器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在analysis窗口可以看到。它和script file editor共享窗口。左下角可以切換兩個(gè)窗口。繪制數(shù)據(jù)圖：根據(jù)監(jiān)視器可以畫(huà)出標(biāo)準(zhǔn)的x-y數(shù)據(jù)圖。輸出繪圖數(shù)據(jù)：Export得到監(jiān)視器數(shù)據(jù)的文本文件。遠(yuǎn)場(chǎng)分析：頻域模擬器獲取的近場(chǎng)結(jié)果可以轉(zhuǎn)為遠(yuǎn)場(chǎng)，并繪制保存。用編程得到更好的分析：編程語(yǔ)言比圖像分析窗口可以更好的分析數(shù)據(jù)。1.8 第七步：回到布局編輯器如果需要對(duì)物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，需要回到布局編輯