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1、加拿大 Lumerical http:/ 上海海基盛元 赵海军 136-4166-4322 QQ 技术群：278300738 1 加拿大加拿大 Lumerical 微纳微纳光学软件光学软件 FDTD Solutions 经典问题集经典问题集 赵海军赵海军 Email： Tel：136 4166 4322 基于时域有限差分法（基于时域有限差分法（FDTD）的高性能多处理器麦克斯）的高性能多处理器麦克斯 韦方程求解软件，可用于纳米光学器件、过程和材料的设韦方程求解软件，可用于纳米光学器件、过程和材料的设 计、分析和优化。计、分析和优化。 1. FDTD Solutions 概述概述 FDTD S
2、olutions 是一款高性能三维麦克斯韦方程求解软件， 能够用来分析波长尺度特征的 复杂结构与紫外、可见和红外辐射的相互作用。通过其特有的多系数材料建模功能，FDTD Solutions 能够准确地模拟宽波长范围内的材料色散， 因而用户能够高效率地计算器件在很宽 谱带内的响应。其高度优化的计算引擎能够充分利用多核计算系统-从笔记本电脑到高性能 计算集群，以及内置的优化模块能加速优化纳米光学器件，FDTD 的 Solutions 是光电子设 计行业专业工程师和科学家的首选。 2. 使用使用 FDTD Solutions 主要主要功能功能 可以进行虚拟原型的试制，从而降低昂贵的物理原型试制； 可
3、以充分利用最先进的计算系统进行大量的设计评估； 可以方便客户快速的运用，从而提高生产力。 3. FDTD Solutions 主要特点主要特点 自适应网格技术内存需要小 超短的脉冲光源仿真速度快 共形网格技术仿真精度高 Bloch 边界条件 斜入射平面波 多系数材料模型及其显示高精度材料特性 集成性：一款软件不拆分，充分发挥 FDTD 的全部功能 FDTD 8.5 可以添加几乎任意材料 各种非线性（泡克尔，克尔，磁光等） 增益饱和材料 时变材料 加拿大 Lumerical http:/ 上海海基盛元 赵海军 136-4166-4322 QQ 技术群：278300738 2 强大的文本程式脚本
4、语言 自动视频输出 同时获得时域数据（实数）和频域数据（复数） ！ 包含优化模块 包含共形网格技术在内的高级网格算法 任意旋转的模式分解监视器 模式光源可以任意旋转 直观的视觉化工具 4. FDTD Solutions 主要应用主要应用 加拿大 Lumerical http:/ 上海海基盛元 赵海军 136-4166-4322 QQ 技术群：278300738 3 FDTD Solutions 用于解决各种各样的应用，涉及光的散射、衍射和辐 射传播，如： FDTD Solutions 已经用于许多工程问题，已经用于许多工程问题，部分如下：部分如下： CMOS 图像传感器像素图像传感器像素 为
5、了降低数字摄像系统成本 ， CMOS 像素尺寸不断减小，随之而来的问 题是信噪比的相应减少以及像素串扰的增加。 了解更多信息 (EN) 太阳能薄膜电池太阳能薄膜电池 薄膜硅太阳能电池表面上的金属纳米粒子阵列能够极大地提高对太阳能 的吸收。 了解更多信息 (EN) 固体照明固体照明 LED 的亚波长纹理结构增加光萃取效率，但需要像 FDTD Solutions 这样 的软件工具来优化 LED 的微结构。 了解更多信息 (EN) 5. 重要资料索引重要资料索引 软件官方网站：http:/ FDTD Solutions 8.6 版最新简介： http:/ MODE Solutions 6.5 版最新
6、介绍： http:/ INTERCONNECT 3.0 版最新介绍：http:/ DEVICE 3.0 版最新介绍：http:/ 加拿大 Lumerical http:/ 上海海基盛元 赵海军 136-4166-4322 QQ 技术群：278300738 4 Q1：电场分布图中右边标尺上的数字的意义是什么？ A：这个要看你在 Visualier 里怎么设置了，如果是缺省设置，它是总 电场的绝对值，即 sqrt(Ex2+ey2+ez2)。 你可以在里面设置看绝对 值、强度、某分量的实、虚部，位相等。 Q2：如何模拟太阳光谱？ 我觉得即使用太阳光谱计算材料的反射或吸收光谱， 与用平面光源 计算的
7、结果是一样的。 因为某一波长吸收率是材料吸收的光功率与入 射的光功率之比。不知对不对？ A：一般的测量都是相对测量，因此仿真也用相对测量。 “相对”就 是与光源的光谱具体分布没有关系。太阳光谱在一天内是有变化的， 目前常用的有两个模型。 Q3：FDTD Solutions 是如何来求得色散材料的和的？ A：请大家参考： http:/ Q4：为什么 100 微米厚的玻璃的透射率计算为 0? 用的是 加拿大 Lumerical http:/ 上海海基盛元 赵海军 136-4166-4322 QQ 技术群：278300738 5 Object defined dielectric，index 1.
8、5；glass index1.5，glass SiO2。 A：这个是因为仿真时间太短。对于有玻璃的模拟，玻璃的厚度要取 多少合适? 有点厚度就可以了，玻璃太薄了会出现干涉条纹。 Q5：周期性边界条件是否只能针对一个物体,还是几个物体都可 以? A：这个并不限制，只要你的结构是这样，就可以，注意仿真只需要 一个周期。 Q6：使用 FDTD Solution 怎么算 45和-45的透射率？还有怎么计 算相位差？ 加拿大 Lumerical http:/ 上海海基盛元 赵海军 136-4166-4322 QQ 技术群：278300738 6 A： （1）设置光源的入射角为你想要的角度； （2）当你
9、获得 Ex、Ey、 Ez 之后，可以使用“angle”获得相位差分布：ex_phase=angle(Ex)， 其它类似，但要注意：FDTD Solutions 软件直接获得的结果是个四维 的矩阵：x, y, z and f，而你想要的应该是 1D 的 Q7：光源的纵坐标代表什么意思（下图的纵坐标） A：前面两个是光谱分布，纵坐标是相对强度，最大值是 1。 下面的这个是光源的时间信号，估计你用 Zoom 了，所以振幅老是负 值。 Q8：dipole 光源和 planwave 的工作原理是什么呢？ 加拿大 Lumerical http:/ 上海海基盛元 赵海军 136-4166-4322 QQ
10、技术群：278300738 7 A：Dipole 就是偶极子光源，是在一定的 Momentum 动量的情况下激 发的，因此其实际辐射功率将随周围环境而变； 平面波没什么可说的。如果你在时域求解 Maxwell 方程，一定需要光 源这一项，这就是与频域方法不同的地方。 Q9： power monitor 中的 T 和 P 各代表的含义是？T 是光源的实部吗？ A：T 是用 Transmission 函数计算出来的透射率，现在放在监视器里 直接计算了； 不是光源的实部。 光源的实部必须看 Ex， Ey， Ez 才有。 P 就是总功率密度，分量有 Px，Py 和 Pz，颇印庭矢量。 Q10：FDTD
11、 Solutions 关于并行计算的问题？ A ： FDTD Solutions 支 持 两 类 并 行 计 算 ： 分 布 式 并 行 计 算 （distributed computing）和并发式并行计算（concurrent computing） ： （1）Distributed Computing：适用于多核/多节点计算机.如果文件很 小,可以只用单核/单节点,软件会自动提示.节点之间都是用高性能网 络连接的.此时适用于一台物理的(即独立的)计算机； （2）Concurrent Computing：当需要很多个类似的仿真计算时，可利 用这种方式.此时各台计算机之间只需普通网络连接线即可
12、。这时是 多台分离式的计算机,每台仍然可以分布式并行计算； （3）前者只需要一个 Full License 即可,后者每台计算机均需要一个 Engine License. Q11：为什么反射率有大于 1 的地方？ 加拿大 Lumerical http:/ 上海海基盛元 赵海军 136-4166-4322 QQ 技术群：278300738 8 A：多数情况是没达到 auto shutoff min 就停止运算，或者结构的谐振 比较强，达到 auto shutoff min 后有些波长的谐振仍然持续。 解决办法：增加 仿真时间 (FDTD/simulation times)， 同时减小 auto
13、 shutoff min (FDTD/advanced)或使用mesh将计算网格进一步细化 Q12：一些金属粒子在入射光的激发下，发生表面等离激元谐振，想 计算这种情况下的表面电荷分布，不知道 FDTD Solution 如何计算 A：可以计算表面电荷分布，参见 Q13: 我计算了一个纳米粒子的吸收、消光和散射光谱，我按照例子 做完得到的都是光谱图了， 要怎么样才能把数据导出来呢？另外光场 的分布图能否保存成更加清晰的格式呢？ A: 导出数据由几种方法: (1)在分析窗口,作图后,下面有一个Export Data, 设置文件名后直接点” Export”就记录为 TXT 文件. (2)用 Script 里面的 Write 语句: http:/ 以上两种方法导出的数据均可以直接阅读 (3)用 Savedata 保存为 Script 可读的格式, 用 Load data 读取,记录时它 同时把变量名也记下了,因此 Load 后, 变量名仍然可以使用. http:/ (4)也可以将所有变量保存为 Matlab 直接可读的文件, 见 加拿大 Lumerical http:/ 上海海基盛元 赵海军 136-4166-4
