色散:金屬波導(2DTM)
設定為softsource ,使用載入檔案做為激發源,設計結構中輸入以下函數
LoadSource(ib/2,1:jb,1:kb)=1;
LoadSource(ib/2+3,1:jb,1:kb)=1;
因為是要計算單一圓柱體散射吸收頻譜,因此四周圍皆為使用吸收層PML
勾選 ☑ 設計結構 (Design Structures) 勾選 ☑ E,H,V,I (FFT) : 量測電場、磁場、電壓、電流
【指令輸入方塊】輸入以下程式碼,然後按【執行】,確定好結構無誤的話後再按【輸出結構】
d=200e-9;
%=================矩形 Brick===========================
xstart=ib/2*gdx+d/2;
xend=ib*gdx;
ystart=1*dy;
yend=1*dy;
zstart=1*gdz;
zend=1*gdz;
nindex=1^2;
sigma=0;
choice='E_Model1'; %E_Iso,PEC,M_Iso,PMC,E_Model1,M_Model1,EM_Model1
gridtype=-1; %
Iso_Brick(choice,gridtype,nindex,sigma,xstart,xend,ystart,yend,zstart,zend)
%=================矩形 Brick===========================
%=================矩形 Brick===========================
xstart=1*gdx;
xend=ib/2*gdx-d/2;
ystart=1*dy;
yend=1*dy;
zstart=1*gdz;
zend=1*gdz;
nindex=1^2;
sigma=0;
choice='E_Model1'; %E_Iso,PEC,M_Iso,PMC,E_Model1,M_Model1,EM_Model1
gridtype=-1; %
Iso_Brick(choice,gridtype,nindex,sigma,xstart,xend,ystart,yend,zstart,zend)
%=================矩形 Brick===========================
%------------探測磁場 1 Probe Magnetic 1------------
% direction 1(Hx),2(Hy),3(Hz),4(|H|)
direction=2;
x1=(ib/2+1)*gdx;
x2=(ib/2+1)*gdx;
y1=(jcenter)*gdy;
y2=(jcenter)*gdy;
z1=(kcenter)*gdz;
z2=(kcenter)*gdz;
probe_magnetic(1,:)=[x1,x2,y1,y2,z1,z2,direction];
%----------------------------------
%------------探測磁場 2 Probe Magnetic 1------------
% direction 1(Hx),2(Hy),3(Hz),4(|H|)
direction=2;
x1=(ib/3+1)*gdx;
x2=(ib/3+1)*gdx;
y1=(jcenter)*gdy;
y2=(jcenter)*gdy;
z1=(kcenter)*gdz;
z2=(kcenter)*gdz;
probe_magnetic(2,:)=[x1,x2,y1,y2,z1,z2,direction];
%----------------------------------
%------------探測磁場 3 Probe Magnetic 1------------
% direction 1(Hx),2(Hy),3(Hz),4(|H|)
direction=2;
x1=(ib/4+1)*gdx;
x2=(ib/4+1)*gdx;
y1=(jcenter)*gdy;
y2=(jcenter)*gdy;
z1=(kcenter)*gdz;
z2=(kcenter)*gdz;
probe_magnetic(3,:)=[x1,x2,y1,y2,z1,z2,direction];
%----------------------------------
%------------探測電場 1 Probe Electric 1------------
% direction 1(Ex),2(Ey),3(Ez),4(|E|)
direction=3;
x1=(ib/2+1)*gdx;
x2=(ib/2+1)*gdx;
y1=(jcenter)*gdy;
y2=(jcenter)*gdy;
z1=(kcenter)*gdz;
z2=(kcenter)*gdz;
probe_electric(1,:)=[x1,x2,y1,y2,z1,z2,direction];
%----------------------------------
%------------探測電場 2 Probe Electric 1------------
% direction 1(Ex),2(Ey),3(Ez),4(|E|)
direction=3;
x1=(ib/3+1)*gdx;
x2=(ib/3+1)*gdx;
y1=(jcenter)*gdy;
y2=(jcenter)*gdy;
z1=(kcenter)*gdz;
z2=(kcenter)*gdz;
probe_electric(2,:)=[x1,x2,y1,y2,z1,z2,direction];
%----------------------------------
%------------探測電場 3 Probe Electric 1------------
% direction 1(Ex),2(Ey),3(Ez),4(|E|)
direction=3;
x1=(ib/4+1)*gdx;
x2=(ib/4+1)*gdx;
y1=(jcenter)*gdy;
y2=(jcenter)*gdy;
z1=(kcenter)*gdz;
z2=(kcenter)*gdz;
probe_electric(1,:)=[x1,x2,y1,y2,z1,z2,direction];
%----------------------------------
%看結構是否填入
figure(1);plot(geox)
LoadSource(ib/2,1:jb,1:kb)=1;
LoadSource(ib/2+3,1:jb,1:kb)=1;
前面範例有金屬材料交界面的反射率範例(交界面interface),在這裡我們試著解說如何自行輸入電性金屬材料參數、及如何利用CompactFDTD求得色散曲線。
例如若有一組材料是eV單位,要在風行裡使用必須經過單位轉換,參考
S.-H. Chang, S. Gray, and G. Schatz, “Surface plasmon generation and light transmission by isolated nanoholes and arrays of nanoholes in thin metal films,” Opt. Express 13, 3150-3165 (2005).
http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-13-8-3150
裡有提到模擬金材料的Drude參數 500nm-1000nm 是
epsilon_infinite = 11.4577;
omegad =9.40274 eV;
gamad =0.0831375 ev;
轉成風行可用單位
ehbar = 1.51926751447914e+015; % e/hbar where hbar=h/(2*pi) and e=1.6e-19
omegad= 9.40274/27.2214/(2.41888*10^-17)=9.40274*1.51926751447914e+015= 1.428527742909359e+016 rad/s
gamad =0.0831375/27.2214/(2.41888*10^-17)=0.0831375*1.51926751447914e+015=1.263081029850095e+014 rad/s
因為使用 探測場Probe,所以不需要勾選 穩態場輸出 (Output Steady State - Fields) -(Poynting DFT)。
運算結束後
分析結果(Result Analysis)
N_Probed_E_Td(觀測位置編號,計算步數,分割數) %量測電場(時域) Probed Electric (Time-domain)
N_Probed_H_Td(觀測位置編號,計算步數,分割數) %量測磁場(時域) Probed Magnetic (Time-domain)
N_Probed_E_Fd(觀測位置編號,計算步數,分割數) %量測電場(頻域) Probed Electric (Frequency-domain)
N_Probed_H_Fd(觀測位置編號,計算步數,分割數) %量測磁場(頻域) Probed Magnetic (Frequency-domain)
★這裡您只需要調整兩個參數即可,第一個是觀測場的輸入,我們前面設定四個觀測場,其中三個磁場位置,一個電場位置
★要做模態判定,一次只能輸入電場或磁場其中一種。
★Probes=N_Probed_H_Td; 這個方式,是將三個觀測磁場都輸入,Mode_Analysis會將三個觀測的磁場做平均化來分析尋找模態
★Probes=N_Probed_H_Td(3,:,:); 這個方式,是將第三個觀測磁場都輸入,Mode_Analysis只會用第三個觀測的磁場來做分析尋找模態
★FieldMax 設定臨界值,高於此值的將視為找到的模態,小於此值的將過濾掉。若找到太多雜訊模態,調整前面的係數0.01變大來過濾
★max_band_number 在一輸入波數k(wave number)位置上,最多找幾個模態
★lambda0 中心入射波長
【指令輸入方塊】輸入以下程式碼,然後按【執行】
Probes=N_Probed_E_Td;
%figure(1);plot(Probes(1,:,10))
FieldMax=0.05*max(Probes(:))
max_band_number=6;
Mode_Analysis(Probes,FieldMax,max_band_number)
%==理論值對比 Analytical Solution======
clear RunNumber
RunNumber=100;
% lambda0=500e-9;
% cc=3e8;
% freq0=3e8/lambda0;
% omegas=linspace(0.01,1.0,RunNumber)*2*pi*freq0;
w1=2*pi*cc/lambda_end;
w2=2*pi*cc/lambda_start*1.2; %x1.2是將理論值觀察範圍延伸至更高頻的位置
omega_input=linspace(w1,w2,RunNumber);
epsr_insulator= 1;
% 自行輸入Drude模型
% epsInf =11.4577;
% WDp = 9.40274/27.2214/(2.41888*10^-17);
% gama = 0.0831375/27.2214/(2.41888*10^-17);
% epsr_metal= epsInf-WDp^2./(omegas.^2+omegas*gama*j);
%使用風行內建函數
epsr_cal(omega_input) ;
epsr_metal= epsr_model_1;
figure(1);hold on;
plot(1./omega_input,real(epsr_model_1),'r','linewidth',3);
plot(1./omega_input,imag(epsr_model_1),'b','linewidth',3);
xlabel('\lambda (nm)');
ylabel('\epsilon r');
hold off;
% 交界面色散關係式 Metal-insulator interface dispersion relation
kxx=(omega_input/cc).*((epsr_insulator*epsr_metal)./(epsr_metal+epsr_insulator) ).^0.5;
f_para=kxx; %尋找 k 的參考值 reference value
d=200e-9;
%風行計算金屬波導色散的函數(MIM-Waveguide Dispersion),輸入方式如下
MIM_Waveguide(RunNumber,omega_input,d,epsr_metal,epsr_insulator,f_para);
figure(2);
hold on;
plot(omega_input/cc,omega_input,'k','LineWidth',2);
plot(real(kxx),omega_input,'g','LineWidth',2);
plot(real(MIM_Tanh),omega_input,'b' ,'LineWidth',2);
plot(real(MIM_Coth),omega_input,'m' ,'LineWidth',2);
plot(betaz,Eigen_omega(:,:),'r*');
legend('light-line','Analytical-interface','Analytical-MIM(Tanh)','Analytical-MIM(Coth)','FDTD')
title('金屬波導色散關係曲線')
ylabel('ω');
xlabel('k');
axis([0 2.e7 0 5e15])
hold off;
關於金屬波導(Metal-insulator-Metal)色散關係,請參考
H. Raether, Surface Plasmons (Springer, New York, 1998).
或者直接google查詢
MIM dispersion relation
就會有許多相關資料