Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метод конечных разностей во временной области. Учебное пособие
.pdf
На вкладке «геометрия» можно настроить тип и ориентацию монитора. На
расширенной вкладке можно настроить частоту выборки данных и скорость
отображения кадров на экране.
2.3.4 Монитор профиля частотной области и мощности
Рисунок 2.28 – Монитор профиля частотной области и мощности
Мониторы поля в частотной области собирают профиль поля в частотной
области на основе результатов моделирования в пространственной области в рамках
моделирования в FDTD.
Существует два очень похожих типа мониторов поля в частотной области:
«Профиль поля в частотной области» (Frequency domain field profile) и «Мониторы
поля и мощности в частотной области» (Frequency domain field and power). Эти
81
мониторы идентичны, за исключением одной расширенной настройки (настройки
пространственной интерполяции).
В большинстве ситуаций рекомендуется использовать монитор поля и
мощности. Этот монитор «привязывается» к ближайшей ячейке сетки, что сводит к
минимуму объем необходимой интерполяции и обычно приводит к получению
более точных данных. Монитор «Профиля поля в частотной области» не
привязывается к ближайшей ячейке сетки. Вместо этого он записывает данные
именно там, где находился монитор. Это может быть полезно в некоторых
ситуациях, но необходимая дополнительная интерполяция может немного снизить
точность данных.
Мониторы поля в частотной области могут требовать больших объемов
памяти при записи данных в большой пространственной области, поэтому по
возможности нужно использовать 1D или 2D, а не 3D-мониторы. Аналогичным
образом нужно минимизировать количество записываемых частотных точек. Также
можно использовать пространственную понижающую дискретизацию для записи
меньшего пространственного разрешения. А на вкладке «данные для записи» (data
to record) можно контролировать, какие компоненты поля записываются. Если
интересует только поток мощности, то можно выбрать «выходную мощность»
(output power) и отключить все остальное.
На вкладке общих настроек (рис. 2.28) можно установить тип моделирования,
переопределить глобальные настройки монитора. Если установлен переключатель
для отмены глобальных настроек, то тогда можно указать диапазон частот и
количество точек, в которых будет записываться информация о частотной области.
На вкладке данных для записи можно настроить следующие параметры.
Стандартное преобразование Фурье (standard fourier transform): монитор выводит
данные на определенных частотах. Partial spectral average: монитор выводит
частичную среднюю мощность спектра через поверхность монитора,
нормализованную к частичному среднему спектральному значению источника. Total
spectral average: монитор выводит общую среднюю спектральную мощность через
82
поверхность монитора, нормализованную к общему среднему спектральному
значению источника.
Можно вывести различные компоненты напряженности электрического и
магнитного полей (EX, EY, EZ, HX, HY, HZ) или вектора Умова-Пойтинга (PX, PY,
PZ). Также можно рассчитать интегрированную мощность (output power) по
поверхности монитора. Это требует гораздо меньше памяти после завершения
моделирования и подходит для больших параллельных симуляций, где требуется
только интегрированная мощность по поверхности.
Вкладка «Спектральное усреднение и аподизация» (spectral averaging and
apodization tab).
Рисунок 2.29 – Вкладка «Спектральное усреднение и аподизация»
Полная (full) аподизация включает в себя оконную обработку данных во
временной области как на начальной, так и на конечной стороне. Полученные
«оконные» данные затем обрабатываются для получения информации в частотной
области. Аподизация start включает в себя оконную обработку начальной стороны
данных во временной области, что может быть использовано для исключения
исходного источника возбуждения из данных частотной области. Аподизация end
включает в себя оконную обработку последней части симуляции. Это может быть
использовано для уменьшения сигнала во временной области в устройствах, где
излучение не затухает долгое время, например в полостях.
Аподизация позволяет исключить эффекты, возникающие вблизи начала и/или
конца моделирования, из преобразования Фурье мониторов (рис. 2.29). Эта функция
может быть полезна для фильтрации кратковременных переходных процессов,
83
возникающих при возбуждении системы дипольным источником, а также при
изучении систем с высокой добротностью, которые затухают очень медленно.
Аподизация считается дополнительной функцией, и при ее использовании следует
соблюдать осторожность.
Сначала нужно провести небольшое тестирование с помощью простого
тестового моделирования для того, чтобы убедиться, как аподизация монитора
влияет на результаты моделирования. Аподизация монитора применяет оконную
функцию к полям моделирования E(t) перед тем, как монитор выполнит
преобразование Фурье E(t) для получения E(w). Это позволяет вычислить E(w) по
части временного сигнала. Например, начальную аподизацию можно использовать
для игнорирования всех переходных процессов, возникающих в начале
моделирования. Аподизация, как правило, делает недействительной любую
выполненную нормализацию источника и поэтому не подходит для точного
измерения мощности или абсолютной интенсивности поля.
2.4 Анализ результатов
Программное обеспечение переключается в режим анализа после завершения
моделирования. Обычно режим анализа позволяет просматривать результаты
моделирования, но не вносить изменения в настройки моделирования. Это
гарантирует то, что результаты данных моделирования соответствуют
конфигурации проекта моделирования.
Попав в инструмент анализа, можно анализировать данные моделирования до
тех пор, пока либо не закрыть приложение, либо не изменить объекты
моделирования и повторно выполнить моделирование. При выходе из процедур
анализа и возврате в редактор макетов существующие данные моделирования будут
удалены. Если нужно сохранить существующие данные и повторно запустить
моделирование, то самый простой способ - это сохранить моделирование под новым
именем файла. Затем новые данные будут сохранены в новый файл.
Другим способом является отправление данных в рабочую область сценариев.
Данные в этом поле не будут заменены при повторном запуске моделирования. Для
84
этого нужно нажать правой кнопкой мыши на «результаты/данные» (results/data) и
выбрать «отправить в сценарий» (send to script). Файлы моделирования в режиме
анализа (с результатами моделирования) обычно имеют очень большой размер.
Менеджер результатов - это инструмент для просмотра данных
моделирования. В окне «Просмотр результатов» отображаются все результаты для
объекта моделирования, выбранного в данный момент в дереве объектов. Рабочая
область сценариев работает вместе со средой сценариев, предоставляя
дополнительные функции на основе графического пользовательского интерфейса.
При использовании в сочетании с визуализатором менеджер результатов
обеспечивает очень полезный и интуитивно понятный способ анализа и
визуализации переменных и результатов через графический интерфейс, что
значительно снижает потребность в написании сценариев.
Можно щелкнуть правой кнопкой мыши по любому из результатов, чтобы
отобразить их в визуализаторе или отправить в рабочую область сценариев для
дальнейшей постобработки. Использование наборов данных позволяет упаковывать
необработанные данные в значимые результаты, которые можно легко
параметризовать и визуализировать. Результаты для всех стандартных мониторов
можно получить в исходной необработанной и непараметризованной матричной
форме (getdata) или в форме набора данных (getresult).
Рабочая область сценариев показывает все переменные в текущей среде
сценариев. Текущие значения переменных, а также соответствующие измерения
отображаются в формате списка. Пользователи могут использовать визуализатор
для просмотра любой переменной, указанной в рабочей области сценария, щелкнув
правой кнопкой мыши переменную и выбрав visualize.
85
2.5 Примеры
2.5.1 Расчет сечения рассеяния и поглощения
Рисунок 2.30 – Золотая сферическая наночастица и источник полного-рассеянного
поля
Взаимодействие электромагнитного поля с наночастицей приводит к
сильному усилению поля на поверхности частицы. В данном примере рассмотрен
расчет сечения рассеяния и поглощения сферической золотой наночастицы (рис.
2.30). На рисунке 2.30 изображена золотая сферическая наночастица и источник
полного-рассеянного поля рядом с ней [12].
86
Рисунок 2.31 – Распределение интенсивности электрического поля в золотой
сферической наночастице в различные моменты времени
На рисунке 2.31 изображены карты распределения интенсивности
электрического поля в золотой сферической наночастице в различные моменты
времени в направлении излучения источника полного-рассеянного поля (TFSF).
Граница источника TFSF видна на рисунках как резкие изменения цвета
изображения. Поля внутри источника представляют собой полное поле (то есть
падающие поля плюс рассеянные поля), тогда как за пределами источника видны
только рассеянные поля. Мониторы поля напрямую измеряют локальное усиление
поля.
Сечение поглощения (общая поглощаемая мощность, деленная на мощность
на единицу площади падающего пучка) рассчитывается группой анализа,
расположенной внутри источника TFSF. Группа анализа измеряет чистую
мощность, поступающую в частицу, и, нормализуя ее на интенсивность источника,
возвращает сечение поглощения.
Аналогично, сечение рассеяния рассчитывается группой анализа,
расположенной за пределами источника TFSF. Измерения сечения часто
нормируются по размеру рассеивающего объекта. Эффективность Ми определяется
как отношение поперечного сечения к геометрической площади, то есть отношение
87
πr2 для сферы (3D расчеты) и 2r для круга (2D расчеты) и обычно отображается в
зависимости от параметра размера 2πn/λ, где n показатель преломления.
Рисунок 2.32 – Сечение поглощения сферической золотой наночастицы
Рисунок 2.33 – Сечение рассеяния сферической золотой наночастицы
88
На рисунке 2.32 изображен график зависимости сечения поглощения золотой
сферической наночастицы от длины волны, а на рисунке 2.33 – сечения рассеяния.
При моделировании важно, чтобы источник TFSF находился между
мониторами рассеяния и поглощения, с наличием как минимум двух ячеек сетки
между объектами (рис. 2.34).
Рисунок 2.34 – Расположение объекта моделирования, источника излучения и
границ анализаторов
Источник TFSF был специально разработан для таких случаев, когда
непериодический объект освещается плоской волной. Это упрощает анализ
рассеяния наночастиц за счет отделения рассеянного поля от падающего поля.
Чтобы анализ рассеяния работал правильно, нужно убедиться, что объект
моделирования полностью находится внутри источника TFSF.
В 3D-моделировании группа анализа поперечного сечения состоит из шести
2D-мониторов, образующих закрытый ящик, который измеряет полезную мощность,
поступающую в коробку или из нее. Расположение этих аналитических групп очень
важно. Группа анализа abs, которая измеряет поглощенную мощность, должна
89
находиться полностью внутри источника TFSF, но вне частицы. А монитор scat
должен находиться полностью за пределами источника TFSF.
При моделировании металлов область переопределения сетки используется
для более точного определения местоположения границы раздела металлов,
особенно с искривленными поверхностями. При этом область переопределения
сетки устанавливается достаточно большой, чтобы охватить не только золотую
сферу, но и всю область TFSF. Размер сетки влияет на то, насколько близко
мониторы могут находиться к источнику. Лучше всего сохранять расстояние не
менее двух ячеек сетки между источником и мониторами, чтобы избежать
нефизических результатов, возвращаемых мониторами. Моделирование можно
производить с частицами произвольной формы или с несколькими частицами, но
при этом нужно обновить граничные условия
2.5.2 Усиление флуоресценции
Увеличение скорости излучения квантового излучателя за счет
взаимодействия со структурой оптической антенны можно смоделировать в методе
конечных разностей во временной области FDTD [12]. Флуоресценция возникает,
когда квантовые эмиттеры (например, молекулы или квантовые точки)
возбуждаются в результате поглощения фотона, а затем распадаются в результате
спонтанного испускания другого фотона (обычно с большей длиной волны) и за
счет механизмов безызлучательной релаксации. Соседние структуры могут
усиливать поля, вызывающие возбуждение, а также увеличивать скорость затухания
за счет спонтанного излучения.
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]