FDTD solutions的案例
基于Lumerical FDTD Solutions 2020計算WO3/W薄膜的反射率
本案例以WO3/W薄膜為例，介紹FDTD中反射率測量的主要過程。軟件版本為Lumerical的FDTD Solutions 2020a。
下面介紹主要步驟：
1. 導入材料
由于WO3材料在FDTD的材料庫中沒有內置，需要自己查找并導入，對于一般材料可以從如下網站中查找相應折射率：
http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/nk/
https://refractiveindex.info/
https://refractiveindex.info/
點擊Materials，
在彈出的窗口中，點擊Add，在彈出的選項框中選擇Sampled 3D data。
點擊Import，在Select File中選擇折射率文件，導入即可。
2. 添加結構
結構添加通過Structures添加，選擇Rectangle，添加WO3薄膜，
設置結構參數，可根據圖中參數進行修改，
材料選擇剛才導入的WO3。
其他兩項設置默認即可，不用修改。
相同的思路，添加W層，WO3是在W上方，因此設置的時候Z方向的數值應契合好。相關設置如下：
3. 設置FDTD Region
點擊Simulation，添加FDTD。由于是薄膜結構，X和Y方向是無限延伸的，因此X，Y方向設置成周期性邊界條件，周期性邊界條件的情況下PML可以設置成steep
angle，以提高計算速度。
結構尺寸上按需求設置，X，Y方向沒有特別要求，Z方向最小值應設置在W層中，最大值在WO3上方，同時遠離結構至少半個波長。其他不需要特別修改，默認即可。
4. 添加Mesh
點擊Simulation右方的下拉菜單，添加Mesh。建模設計過程沒有明顯的先后次序要求，Mesh什么時候設置都可以。
展開 利用Matlab處理Lumerical FDTD的三角納米片電場分布仿真結果
FDTD計算得到的電場分布，但是FDTD通過另存為jpg或者截屏所得到的圖片分辨率很低，得到的圖片往往不能直接使用。因此，可以通過腳本輸入到Maltab，然后再利用Matlab處理圖片并輸出。
??但是將數據從FDTD輸出到Matlab中，并不是想象中那么簡單，經歷了好幾次坑，反復摸索之后，得到了一種比較可行的方案，介紹如下。
1. FDTD原始結果
??這里我們選用三角納米片的電場分布仿真結果進行舉例。圖1是FDTD直接輸出的結果（截圖），可以明顯看出，x方向和y方向的比例并不相同，而且不容易調節成比例尺相同，我目前有兩個可行的方案可以解決這個問題，一種是先建立一個方形的圖片，利用簽字筆在電腦屏幕上畫出方形的邊界，然后再反復調節FDTD的圖片，使其邊界和畫出的邊界重合；第二種方案相對更精準也更方便，借用Snipaste截圖軟件創建一個方形的貼圖，這個好處是這個貼圖可以一直置于頂層，然后再調節FDTD中圖片的邊界即可。這兩種方案都是調節好之后進行截圖，因為直接另存，FDTD輸出的圖片更加模糊，而且也沒有在FDTD Solutions軟件中找到可以設置分辨率的選項（FDTD Solutions版本為2018版），因此可以使用高分辨率截圖軟件或者較高分辨率的軟件，然后將圖片放到PS或者AI中進行分辨率的進一步調節。FDTD中能夠調節的著實比較少，很有必要繼續調整。
2. FDTD結果導出到Matlab
??FDTD數據導入到Matlab主要參考Lumerical官網的介紹文檔matlabsave。
??
展開 FDTD軟件介紹及案例分析一
FDTD Solutions：基于矢量3維麥克斯維方程求解，采用時域有限差分FDTD法將空間網格化，時間上一步步計算，從時間域信號中獲得寬波段的穩態連續波結果，獨有的材料模型可以在寬波段內精確描述材料的色散特性，內嵌高速、高性能計算引擎，能一次計算獲得寬波段多波長結果，能模擬任意3維形狀，提供精確的色散材料模型
FDTD軟件介紹及案例分析一.pdf
029 – FDTD用代碼繪制圓角三角形結構（僅模型文件，20元） ￥20
029 – FDTD用代碼繪制圓角三角形結構（僅模型文件，20元）
基本介紹：
主要內容：在structure group中用腳本畫了一個圓角三角形結構；
基于Lumerical FDTD Solution，使用的軟件版本為Lumerical 2018a；
計算所需的內存：無；
涉及的內容：在structure group中編寫腳本畫一個圓角三角形結構；
本案例僅包含模型文件，購買后不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，該結構是一個圓角的三角形柱體。三角形的邊長為 a0、三個角的圓角半徑為 r0。
在結構組里可以方便地改動這種圓角三角形的參數，如下圖所示。
再次提醒：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，也不附帶答疑指導。
本案例僅包含模型文件，請從附件中下載
附件壓縮包的解壓密碼購買后會顯示。
029-FDTD用代碼繪制圓角三角形結構（僅模型文件）.zip
展開 
017 - FDTD利用腳本繪制波浪形光柵結構（僅模型文件） ￥13
017 - FDTD利用腳本繪制波浪形光柵結構（僅包含模型文件，13元）
基本介紹：
主要內容：繪制一個波浪形的光柵結構，即介質平板的厚度在一個方向上以sin函數變化；
基于Lumerical FDTD Solution，使用的軟件版本為Lumerical 2016a；
計算所需的內存：無；
涉及的內容：structure group編寫腳本；
注意：本案例僅包含模型文件，有一個操作步驟簡單說明。沒有講解視頻，不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，該結構的下表面是平面，上表面是滿足 sin 函數的曲面。
在結構組里可以方便地改動這種sin形曲線光柵的參數，如上圖所示，其中各個參數的含義為：
index - 材料的折射率
material-材料，如果設置材料的話，index 就無效
amplitude-sin 曲線的振幅
thickness - 光柵厚度
period - sin 曲線的周期
x_span - x方向的跨度
y_span - y方向的跨度
再次提醒：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，也不附帶答疑指導。
展開 015 - FDTD金納米棒的吸收、散射、消光截面（僅模型文件） ￥46
015 - FDTD金納米棒的吸收、散射、消光截面（僅包含模型文件，46元）
基本介紹：
主要內容：根據發表在 Langmuir 上的論文《Synthesis of Absorption-Dominant Small Gold Nanorods and Their Plasmonic Properties 作者：Henglei Jia等》，重復了圖2a、圖2b、圖2c、圖2d；
基于Lumerical FDTD Solution求解，使用的軟件版本為Lumerical 2016a；
計算所需的內存：8 GB；
涉及的內容：TFST光源、cross_section分析組、自己編寫腳本畫圖 等；
繪制了：四個不同尺寸金納米棒的吸收截面、散射截面和消光截面；
注意：本案例僅包含模型文件，但有一個如何運行計算的簡單說明，購買后不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，金納米棒分散在水中形成膠體，一束波長為 400 ~ 1200 nm 的光照射金納米棒膠體，計算其吸收截面、散射截面、消光截面。
由于金納米棒在水中的方向是隨機的，所以要考慮金納米棒上所激發出的局域表面等離激元（LSP）的橫模與縱模，然后將兩種模式做加權平均。
金納米棒的尺寸考慮四種情況，直徑/長度分別為（單位nm）：40.2/104.3、16.6/62.2、6.0/16.2、8.8/36.6。
計算的內容和結果：
1、論文中四個不同尺寸的納米棒的吸收、散射和消光截面 ??
2、本案例的計算結果 ??
再次提醒：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，也不附帶答疑指導。
展開 024 – FDTD MIM波導雙微環諧振器（僅模型文件，40元） ￥40
024 – FDTD MIM波導雙微環諧振器（僅模型文件，40元）
基本介紹：
主要內容：根據發表在Sensors上的論文《Plasmonic Multichannel Refractive Index Sensor Based on Subwavelength Tangent-Ring Metal–Insulator–Metal Waveguide，作者：Zicong Guo等》，用Lumerical FDTD重復了其中的Fig.2(b-d)、Fig.3(a) ；
基于Lumerical FDTD Solution求解，使用的軟件版本為Lumerical 2016a；
計算所需的內存：1 GB；
涉及的內容：2D-FDTD、MIM波導中平面光源的使用、場監視器、透射率監視器 等；
繪制了：透射率隨波長的變化關系、磁場分布、輸出光的相位響應；
本案例僅包含模型文件，但有一個如何運行仿真的簡單說明。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，在直通道 “金屬-介質-金屬”（MIM）波導旁邊放置兩個微環。
直通道的寬度為 50 nm，微環的寬度為 20 nm，兩個微環的內徑分別為 40 nm 和 60 nm。
研究波導中的光經過微環后的透射率和相位變化。
計算的內容和結果：
1、透射率。
展開 FDTD，COMSOL（第三十四期）光電專題線上通知
為解決大家在光學軟件仿真學習過程中遇到的問題，應廣大新老客戶的學習需求特舉辦“COMSOL多物理場光電仿真/FDTD時域有限差分數值模擬”系列專題線上培訓班，本次培訓主辦方為北京軟研國際信息技術研究院，承辦方互動派（北京）教育科技有限公司，具體相關事宜通知如下：
一、培訓目錄：
專題一：COMSOL多物理場光電仿真技術與應用
2023年7月29日-30日 在線直播（授課兩天）
2023年8月05日-06日 在線直播（授課兩天）
專題二：FDTD 時域有限差分數值模擬方法與應用
2023年7月22日-23日 在線直播（授課兩天）
2023年7月29日-30日 在線直播（授課兩天）
一、培訓特色：
1. 本次系列課程共兩個專題，均采用在線直播（理論+實操）、Step by step的教學方式、課堂上連麥答疑、課后提供無限次回放視頻，發送全部案例模型文件，建立永不解散的課程群，長期互動答疑；課堂上以具體案例和科研論文為實例，討論在處理具體問題時如何應用專業軟件以及如何做出能夠發表的結果；
2. 專題一課程通過模塊詳解掌握各種邊界條件和域條件的設置方法和技巧，區分每個邊界條件或域條件應該在什么場景中應用。了解借助 COMSOL在理想或多物理場環境下分析、評估、預測射頻、微波和毫米波等行業中涉及的器件的性能的方法，滿足當前和未來發展。
3. 專題二課程通過FDTD仿真實例以及論文模擬復現的形式，帶大家使用FDTD Solutions及相關軟件構建數值建模研究的方法。多個場景案例的應用講解，學習借助FDTD在超構表面設計、超構透鏡設計、納米結構的光學特性研究、波導結構設計等多個方向的研究。
展開 基于Lumerical fdtd進行無序光子晶體波導的仿真設計及優化
在這里，我們采用FDTD solutions軟件研究在單光子源入射的情況下，五邊形光子晶體波導的光傳輸特性隨無序程度變化的情況，進而得出無序效應對二維光子晶體光傳輸特性的影響，證明6%無序度的五邊形氣孔的六邊形光子晶體波導具有引人注目的光傳輸性質。
在這項工作中，六邊形光子晶體晶格結構采用如圖1所示的五邊形氣孔形狀。我們在七排光子晶體中部引入線缺陷，同時在線缺陷兩端設計三排五邊形氣孔的光子晶體，其他最外面三排設計成圓柱形氣孔的光子晶體。采用偶極子光源充當量子點。我們的期望是五邊形氣孔相比于圓柱形氣孔具有更優良的光傳輸特性，對光的局域能力更強，因此先對波導的間隙、光子晶體晶格常數、圓氣孔半徑等參數進行優化，得到最佳的有序五邊形氣孔的光子晶體波導傳輸特性，其次對中間六排的光子晶體引入無序模型，控制五邊形的旋轉無序程度來實現更強的光場局域特性。
圖1 五邊形氣孔的有序型光子晶體波導模型
對于五邊形旋轉度無序的模型，我們引入如圖2(a)所示的高斯分布的旋轉角度，橫坐標為不同的旋轉角度，縱坐標為不同旋轉角度對應取的五邊形數量，無序光子晶體波導見建模如圖2(b)所示。
圖2 五邊形氣孔的無序型光子晶體波導模型
如圖3(a)所示，對有序五邊形光子晶體波導進行優化，隨后與優化后的普通圓形光子晶體波導的傳輸功率進行對比，證明了五邊形光子晶體波導優異的光傳輸特性；其次研究五邊形光子晶體波導的無序程度對光傳輸功率的影響，結果表明6%無序度對光場傳輸貢獻最高(圖3(b))。
圖3 五邊形氣孔的優化結果
圖4展示了優化后的有光子晶體波導的能量傳輸圖，可以發現其具有良好的光波傳輸和光場局域能力。
展開 026 – FDTD超表面折射率傳感器（僅模型文件，120元） ￥120
026 – FDTD超表面折射率傳感器（僅模型文件，120元）
基本介紹：
主要內容：根據發表在物理學報上的論文《X-兩環結構的光學特性研究，作者：潘庭婷等》，用Lumerical FDTD重復了其中的所有內容（共24張圖） ；
基于Lumerical FDTD Solution求解，使用的軟件版本為Lumerical 2018a；
計算所需的內存：2 GB；
涉及的內容：在Sructure group中自己編寫腳本構建復雜結構、自定義網格、透射率監視器、在Analysis分析組中自己編寫腳本計算2D電荷分布、參數掃描、在Script Editor中自己編寫腳本畫組合圖 等；
繪制了：不同結構參數的透射率、不同結構參數的電場分布、電荷分布、當該結構用作傳感器時的靈敏度（共24張圖）；
本案例僅包含模型文件，但有一個如何運行的簡單說明，購買后不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，由 Au 材料制成的超表面放置在SiO2襯底上。圖中 ，外環內直徑 R2= 260 nm、內環內直徑 R1= 180 nm，X的臂長 L= 120 nm、角度 θ = 90°，內外環及X的寬度均為 20 nm、厚度 H 均為60 nm、兩環之間的距離 = 20 nm，周期 P = 400 nm。
本文模擬過程中采用Drude模型，可以表示為：
利用 FDTD 方法建立模型，采用波長范圍為 400 ~ 3000 nm 的平面波，沿 z 方向向下垂直入射金屬表面，偏振方向沿 x 方向。x和y方向上設置成周期邊界條件(periodic)，z 方向設置為吸收邊界條件(PML)。
展開 036 – FDTD納米線的光散射（僅模型文件，免費）
036 – FDTD納米線的光散射（僅模型文件，免費）
基本介紹：
主要內容：本案例通過matlab解析和FDTD模擬分別計算了半徑100 nm的納米線對TM光的散射截面，兩者完全吻合；
基于Lumerical FDTD Solution求解，使用的軟件版本為Lumerical 2020 R2；
計算所需的內存：1 GB；
涉及的內容：2D-FDTD、場監視器、cross-section分析組、matlab編程 等；
繪制了：散射截面隨波長的關系、電場分布；
本案例僅包含模型文件，但有一個文字版的建模過程詳解。此案例不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，用TM偏振的平面光照射一根無限長的介質納米線，納米線的半徑為100 nm，折射率為2。本案例用FDTD模擬了400 ~ 800 nm波長范圍內的光散射截面以及電場分布，并將結果與matlab解析計算的散射截面相比較。
計算的內容和結果：
1、散射截面。
展開 
Lumerical案例 | 獲得理想FDTD性能
注意：本文內容僅適用于在CPU上運行的FDTD仿真。
更高效的仿真
1.改進仿真設置
這意味著通過調整網格大小（在確保得到合理結果的前提下盡可能增大Δx）、利用現有的對稱性或減少監視器收集的數據量來降低仿真要求。這樣做可以確保消除或至少大限度地減少不必要的操作。較為關鍵的考慮因素是能否降低仿真的空間和時間分辨率，因為算法的計算量如下：
其中，D為維度，dx為網格尺寸，V為仿真體積。這些參數通常會根據最短波長和網格精度自動設置。降低最高頻率、降低網格精度或縮小仿真體積都能提高性能，但必須權衡各種需求。進行收斂性測試，以找到合適的精度和性能平衡點。
如果能減少監視器收集的數據量（例如，移除一些監視器、縮小監視器尺寸或減少頻點數量），這將有所幫助。高級設置允許您指定要收集哪些場數據，以及是否要降低空間分辨率。頻域和時域監視器不會造成數據過載，但請仔細考慮哪些監視器是真正必要的。動態監視器對于建立直覺和調試非常有用，但會在每個時間步增加額外的復雜性；如果性能至關重要，則不應使用動態監視器。
2.有效利用CPU資源
分布式計算允許我們使用消息傳遞接口MPI將大型FDTD仿真作業拆分到不同的處理器或核心上。
將仿真分割成多個可以并行運行的空間單元，并在每個時間步傳遞場。
支持兩種不同的并發機制：
- 啟動多個可執行文件。
- 可執行文件，生成多個線程。
如果您點擊FDTD Solutions頂部菜單欄上的“資源”按鈕，將會打開資源配置窗口，您可以在其中找到特定機器的并發設置。正如您在此處看到的，每個FDTD求解器都會將仿真分解為4個進程，每個進程包含4個線程。
這將在一臺16核的機器上運行一次模擬。需要注意的是，線程數乘以進程數必須等于給定機器上可用的CPU核心總數。
展開 光學工程仿真軟件FRED
? 可與FDTD Solutions 的矢量場數據交換，來處理宏光學系統和微結構光學。
? COM服務器/客戶端支持與Matlab、Excel、C++、VB、C# 等程序相互調用。
? 使用“Bird Simple Spectral Model”模擬太陽光在不同位置、不同時間以及一系列環境因素如大氣氣溶膠厚度、大氣可降水量、表面壓強等對接受面照度影響。
? 支持實時的動態結果可視化
? 分析面支持平面與三種非平面（球面、柱面、圓錐面）的數據分析。
應用舉例
光機系統設計
FRED可以在它的3D窗口中添加各種光學元件，如透鏡/棱鏡/偏振片/分光鏡等，光源可選類型豐富。不僅如此，除了光學系統的建模，用戶甚至可以將機械系統一并整合到FRED中來，并對其光學特性進行針對性的分析和計算，非常接近于真實的系統。
如下圖所示是馬克蘇托夫望遠鏡系統，其設計原理為折反射望遠鏡（面鏡-透鏡），設計目的為設計原理為折反射望遠鏡（面鏡-透鏡），設計目的為減少離軸的像差，如彗形像差等。
該系統中的光學元件包括：彎月校正鏡、主反射鏡、次反射鏡、對角棱鏡、普羅素目鏡等。
照明和非成像系統
可以對光源反射罩或組合透鏡的面型進行優化，使得能夠在分析面上得到所需的照度分布，而且FRED可以生成照度分布圖，便于直觀的了解。另外，FRED還可以導入光源的光線文件，生成光線分布列表，快速建立自定義光源。
? 反射罩的設計和優化
左圖是一個弧光燈的光線追跡效果，其反射罩面型為拋物線型。反射罩面型定義完成后，可以針對所需的度量量設置變量、評價函數、優化方法等，對反射罩的面型、位置等參數進行優化。下圖所示的是優化前后探測面的照度分布。
展開 ASAP光學設計軟件
Solutions? 的復雜矢量場分布
輸入由 Radiant Sources 測得的光源數據
支持 SolidWorks 3D 建模引擎
ASAP分析功能
輻射學分析、雜散光分析、偏振分析、波動光學分析、散射分析、高斯光束分析、象差分析、CIE 分析、光線分析。
Klocwork.Insight.v8.0.7.1 1CD(源碼分析系統)
solution?Standalone車輛設計人機工程總布置軟件
AutoTURN v6.01 1CD（車輛轉彎模擬軟件）
DNV?Phast?&?Safeti?v6.51
EsaComp 3.5.008
Bentley.MSTower.06.20.01.09 1CD
DNV.Leak.v3.2?1CD
殷雷石油化工安裝工程定額計價應用軟件2007
Synopsys.MVtools.vH-2013.Linux32_64?2CD
Greenworks Xfrog v4.2.2 for C4D 9 1CD（世界上唯一一個可以方便地表現植物生長的軟件）
GreenWorks.Xfrog.v4.for.Maya.v6 1CD（世界上唯一一個可以方便地表現植物生長的軟件，這是maya6的版本）
Autodesk.Vault.Pro.v2015-ISO 1DVD
Apache?Design?Solutions?Redhawk??v11.1.2.Linux64
Atrenta SpyGlass v4.5.1 Linux64 1CD
Geosoft.Target.for.ArcGIS.v3.0.1
PLS.CADD.POLE.SAPS.Tower.v9.20.portable 1CD
Geovariances Isatis 2013 1CD
ITI SimulationX v3.5 1CD
Bruker?Topspin?v3.0?
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