局域場
關注創建者：320科技工作室 創建時間：2023-01-28
局域場的實例教程
本篇以基于金薄膜的復雜納米孔結構為例，計算了結構在被x偏振方向的高斯光束照射后于不同平面觀測到的光場局域效果。
一、結構建模
首先是建立結構模型，結構為上方大孔，下方小孔的嵌套結構，基底為氧化硅。依次在基底上方、小孔上方、大孔上方以及縱向截面放置監視器。將高斯光波長設置為400nm，放置在結構上方，向下照射。
1. 為結構布置
2. 建立的模型
二、參數設置
3. 三維FDTD仿真區域設定
4. 對于x偏振光源下仿真邊界條件的設置，可以將x方向設置為反對稱，y方向設置為對稱邊界條件，z方向全保持為PML。
5. 設置好的結構俯視圖
6. 該設置下的內存需求
三、結果圖
7. 縱面場強
8. 空氣、大環交界面
9. 大環、小環交界面
10. 小環、基底交界面
四、總結
這種具有亞波長尺寸的結構單元可以將光局限在結構內部并難以繼續向下照射，即使下方仍然有可供光束傳播的空間。
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展開 由于涉及到
結構自由度、壓力自由度、熱力自由度，本文采用了一種能夠利用非局域場模擬結構-孔隙-流體-擴散-熱分析和結構隱式梯度正則化等耦合物理現象的單元，即CPT212單元。
關鍵仿真模擬技術特征：
多孔介質（可模擬土壤）
空隙壓力-熱力耦合單元
計算結果
壓力擴張導致變形結果：
壓力擴張導致應力結果：應力最大在腦室上下尖端處。
模型建立
模型建立很簡單，遵循
點->線->面->網格。采用平面應變假設。
材料參數
采用新胡克超彈性材料本構模型，超彈性材料的使用在往期文章《心血管支架移植模擬分析》中也有介紹。
定義新胡克超彈性：
tb,hyper,1,,,NEO
tbdata,1,3000,0.005
fpx=4.8e-8
指定各向同性腦滲透性（
多孔介質定義）：
tb,pm,1,,,perm
tbdata,1,f
考慮熱效應：
邊界&載荷條件
外表面：近似固定，約束UX、UY自由度，壓力為0，溫度為人體平均溫度37攝氏度。
DL,ALL,,UX,0
DL,ALL,,UY,0
DL,ALL,,Pres,0
d,all,temp,37.0
內表面：39攝氏度，166.61Pa壓力。
SFL,ALL,PRES,166.61
d,all,temp,39.0
內外表面層：
37攝氏度。
求解設置
采用
SOIL分析類型，這種分析類型適用于含結構和流體孔隙壓力的自由度，如土壤分析，當然這里也可以采用靜力學分析。讀者可以自己嘗試查看兩種分析類型的區別。
antyp,soil !
展開 由于存在大的局域隨機場，反鐵電極性納米微區能夠在非常高的外部電場下仍然呈現出溫度和電場不敏感的類線性極化響應。組成0.78BNT-0.22NN陶瓷在室溫下同時獲得巨大儲能密度和優異儲能效率，并且該材料的高儲能性能在超寬的溫度和頻率范圍內保持優異的穩定性。這些結果表明，BNT基無鉛弛豫反鐵電陶瓷將有望應用于未來脈沖功率電容器中。
論文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/ta/c8ta12232f
He Qi, Ruzhong Zuo*, Linear-like lead-free relaxor antiferroelectric (Bi0.5Na0.5)TiO3-NaNbO3 with giant energy-storage density/efficiency and super stability against temperature and frequency, J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 3971-3978.
展開 通過精心設計結構單元的幾何形狀和排布方式，超材料對于電磁波的遠近場調控都展示出前所未有的靈活性，實現了負折射、完美成像、電磁隱身等一系列超常物理特性，在材料學、電磁學等不同領域中都引起了人們的廣泛關注。尤其，超材料能夠在其表面支持顯著的局域場增強，對周圍介電環境的變化極其敏感，在無標記光學生物傳感領域具有重要應用前景。光學生物傳感器可實現生物分子及其相互作用的快速無損檢測，對于疾病的早期診斷、生物醫藥研究以及環境監測等方面都具有重要意義。傳統的光學生物傳感器主要基于表面等離子體共振（金膜等）和局域表面等離子體共振（金納米顆粒等）兩種機理，往往面臨著體積龐大、靈敏度不足、功能單一等缺點，難以滿足日益復雜的實際應用需求。而超材料生物傳感器能夠支持更加豐富的電磁模態，具有更加優異的靈敏度，易于小型化和集成化，而且在功能設計上更具靈活性，是發展下一代高性能生物傳感芯片的重要方案之一。
綜述速覽
近日，北京科技大學新材料技術研究院白洋教授課題組在《材料工程》期刊上發表了題為“基于超材料的無標記光學生物傳感器”的綜述文章。該綜述從超材料的工作頻帶出發，分別總結了可見光與近紅外、中紅外、以及太赫茲波段超材料生物傳感器的研究進展，包括折射率生物傳感、表面增強拉曼散射、表面增強紅外吸收和太赫茲生物傳感等（圖（1））。
展開 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。
圖4 (a) 有序光子晶體波導優化后的Pxy (b) 有序光子晶體波導優化后的Pyz
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為此本次分享結合有限元后處理與雙分支深度學習，提出FEM-DL耦合方法，融合局域場信息實現復雜磁件損耗精準預測，有效結合仿真與數據驅動優勢，預測效果良好。
表面等離子體激元（SPPs）在金屬-介質界面的激發，可將電磁場強局域化，極大增強光與生物分子的相互作用，為高靈敏度檢測奠定基礎。但現有技術在特異性、多參數優化及實際環境適應性上仍有提升空間。
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。
圖4 (a) 有序光子晶體波導優化后的Pxy (b) 有序光子晶體波導優化后的Pyz
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很明顯，光波入射時，兩層之間會產生局域電磁場的強烈增強。 因此，電磁場可以有效地限制在中間 MgF2 層中，導致光譜中出現明顯的反射率下降。圖 4b 顯示了等離子共振波長下Au圓盤周圍的電近場強度剖面（橫向截面），可以看出Au圓盤邊緣周圍的電場強度顯著增強。
極化激元作為一種由光和物質相互作用產生的“半光-半物質”準粒子，憑借其光場局域性強和傳播損耗小的優點，有望應用于構建下一代高效率、高性能、低能耗的集成納米光子器件。特別是在高度各向異性介質中產生的雙曲極化激元（hyperbolic polaritons），在不考慮損耗的情況下理論上可以支持無限大的波矢傳播，進而把光場壓縮到無限小的尺度。
極化激元的激發和傳播與材料的對稱性密切相關。
極化激元強的場局域，以及靈活可調的波前傳輸和負折射聚焦能力，為片上光學以及納米光子學的調控研究開辟了令人興奮的途徑。
論文信息
Hu H, Chen N, Teng H, Yu R, Xue M, Chen K, Xiao Y, Qu Y, Hu D, Chen J, Sun Z, Li P, de Abajo FJG, Dai Q.
本篇以基于金薄膜的復雜納米孔結構為例，計算了結構在被x偏振方向的高斯光束照射后于不同平面觀測到的光場局域效果。
一、結構建模
首先是建立結構模型，結構為上方大孔，下方小孔的嵌套結構，基底為氧化硅。依次在基底上方、小孔上方、大孔上方以及縱向截面放置監視器。將高斯光波長設置為400nm，放置在結構上方，向下照射。
1. 為結構布置
2. 建立的模型
二、參數設置
3.
尤其，超材料能夠在其表面支持顯著的局域場增強，對周圍介電環境的變化極其敏感，在無標記光學生物傳感領域具有重要應用前景。光學生物傳感器可實現生物分子及其相互作用的快速無損檢測，對于疾病的早期診斷、生物醫藥研究以及環境監測等方面都具有重要意義。
該研究通過水熱法得到平均直徑為257 nm的Mo
S
2膠體馬達，在紫外光 (340-380 nm) 的照射下，Mo
S
2膠體馬達與水和溶解氧發生光化學反應，導致其自身周圍形成不對稱的局域化學梯度場，使其可以進行自驅動運動。在梯度光場下，Mo
S
2膠體馬達在正電荷和負電荷的基底表面均展現了正趨光性，即向光強最強的區域運動。
由于涉及到
結構自由度、壓力自由度、熱力自由度，本文采用了一種能夠利用非局域場模擬結構-孔隙-流體-擴散-熱分析和結構隱式梯度正則化等耦合物理現象的單元，即CPT212單元。
