透/反射率的計算在電磁波研究中非常常見,計算結果的準確性與材料參數定義,邊界條件的選擇,網格剖分有十分緊密的關系。以下是個人關于電磁波透/反射率計算問題的經驗整理,如有錯漏歡迎指正和補充。
1. 波導器件
如各類波導分路器,光纖Bragg光柵,其入射端及出射端都滿足波導模式。當入射及出射端波導滿足端口(Port)內置結構(同軸/矩形),可直接選擇內置的波導類型,如RF案例庫中的H彎波導(h_bend_waveguide)及環形器(lossy_circulator)案例。當波導結構與內置類型不同時,需要首先通過模場分析計算出波導模式,通過Port邊界的Numeric類型耦合到頻域分析中,作為入射條件。如V3.5a及V4中的波導適配器(Wave_adapter)案例,以及在V4.2a中更新的dielectric_slab_waveguide案例,見附件1。
對于以上兩種情況,Port邊界內置的S參數可計算出透/反射率,其中S11對應端口1的振幅反射率,S21對應從端口1至端口2的振幅透射率,以此類推。
2. 周期性散射體
a). 入射及出射端采用完美吸收層PML
在V4版本中,內部一致對方法不可行(http://www.comsol.com/community/forums/general/thread/11030/),光源可通過背景場定義。透射功率可通過出射端總場能流積分算出,而反射功率可通過入射端散射場能流積分算出。
針對非均一介質的情形,采用首先計算背景場并結合PML的方法,復現了V4中的Plasmonic Wire Grating案例,當網格最大尺寸為波長的1/20時,與原模型Port邊界計算結果誤差<1%,見附件3。附件4是總部給出的參考模型。
V4模型庫案例中的Plasmonic Wire Grating,根據一維光柵的衍射光集中于零級及正負一級衍射角度,在同一個邊界上設置多個Port吸收出射光。但是當散射體較為復雜,衍射光可能會在許多角度上存在較強的分布,如晶體在X射線下的Bragg衍射,這時設置多重Port實現吸收并不現實。
與周期性結構不同之處是外圍區域都需要設置為PML,如案例庫模型Radar Cross Section中的鋁船散射問題。
此外,在模擬金屬散射體或共振腔結構時網格的剖分十分重要。由于在發生SPP共振時,金屬表面會出現場增強現象,諧振腔處于共振狀態同樣存在這種情況,那么邊界上需要足夠的網格以準確的描述場強的指數衰減,例如銀材料在可見光波段趨膚深度約為20nm,這時需要使趨膚深度以內的網格尺寸遠小于趨膚深度,約在nm量級。如同要看清一幅細節豐富的圖片,需要足夠的分辨率。
本文所用到的 COMSOL電磁波透/反射率計算模型 下載