米氏散射仿真
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2025-12-19
米氏散射仿真的實(shí)例教程
<p>對(duì)于球形納米顆粒被平面光照射后的散射問(wèn)題，前人mie已經(jīng)給出了精確的數(shù)值解析解來(lái)求解散射效率，消光效率，吸收效率，我簡(jiǎn)稱mie散射公式/米氏散射公式。其他形貌（金棒形，金納米星形，正方形等等）不適用mie散射公式。</p><p>在之前第二篇文章的文獻(xiàn)中，作者已經(jīng)給出米氏散射公式如下<img src="https://img.jishulink.com/upload/202304/9c6cb860894a4aafbf373876c4ba6f18.png" alt="捕獲.png"></p><p>作者對(duì)比了用 comsol波動(dòng)光學(xué)模塊 和 米氏解析解 求解出的散射效率，發(fā)現(xiàn)二者吻合，從而證明確實(shí)用波動(dòng)光學(xué)模塊計(jì)算出的結(jié)果正確。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202304/42d7ce04673649fb8191262b7608080d.png" alt="捕獲.png"></p><p><br></p><p>那么我現(xiàn)在也用comsol求解了上述的米氏散射公式，我用三種方法求解消光，散射效率：（1）波動(dòng)光學(xué)模塊。（2）在comsol中手動(dòng)敲入米氏散射公式。（3）用comsol內(nèi)置好的米氏散射公式函數(shù)。發(fā)現(xiàn)三者求解的結(jié)果一致，能復(fù)現(xiàn)出論文，如下圖所示，證明了對(duì)散射，消光效率求解的正確性。
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這篇文章描述了如何在 OpticStudio 中建立 DLL 米氏散射（Mie scattering）模型。下方鏈接的范例文件演示了如何以該模型進(jìn)行散射的模擬。范例系統(tǒng)包含了兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)1模擬了光線入射空氣中的水滴后，在散射時(shí)達(dá)到瑞利極限（Rayleigh limit）的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)2則模擬了光線在較大的粒子中發(fā)生散射時(shí)的情形，此時(shí)光學(xué)現(xiàn)象的討論由瑞利極限轉(zhuǎn)變?yōu)?em>米氏散射的范疇。
簡(jiǎn)介
根據(jù)麥克斯韋方程式，光線入射球型粒子會(huì)產(chǎn)生散射的現(xiàn)象，而米氏散射理論為此提供了解析解。此理論可推廣至任意大小的粒子，因此可適用在所有"粒子半徑對(duì)入射波長(zhǎng)比"的情況。這對(duì)于模擬白云中的散射現(xiàn)象1時(shí)很有幫助，同時(shí)也有助于解釋光線入射特定物質(zhì)，如牛奶和生物組織時(shí)所產(chǎn)生的變化。在 OpticStudio 的非序列模式中，我們可以用體散射（bulk scattering）的追跡方式建立這類的模型。此外，Bohren 和 Huffman 的研究為此現(xiàn)象的模擬提供了計(jì)算的依據(jù)。
這篇文章將說(shuō)明模型在模擬系統(tǒng)中的表現(xiàn)，同時(shí)也會(huì)以一個(gè)大氣中的散射現(xiàn)象作為例子，此模擬將運(yùn)用到米氏理論的 DLL 。
參數(shù)模擬
為了在非序列模式中的對(duì)象上套用米氏散射分布的設(shè)定，如下圖所示，我們需先開(kāi)啟該物件的屬性字段（Object Properties），并在下方的 Volume Physics 項(xiàng)目中勾選 DLL 定義散射（DLL Defined Scattering），最后在 DLL 字段選擇 MIE.DLL。
為了使這個(gè) DLL 正常運(yùn)行，我們需要輸入5項(xiàng)參數(shù)。
折射系數(shù)
我們?cè)谶@個(gè)字段設(shè)定散射粒子的折射系數(shù)（實(shí)數(shù)部分），而環(huán)境介質(zhì)的折射系數(shù)，則是在材質(zhì)（Material）欄位設(shè)定。
展開(kāi) 使用單個(gè)監(jiān)視器時(shí)，必須使仿真跨度足夠大，以使大多數(shù)散射光在到達(dá) PML 吸收邊界之前可以通過(guò)監(jiān)視器。此問(wèn)題僅適用于遠(yuǎn)場(chǎng)分析。無(wú)需更改橫截面和近場(chǎng)測(cè)量的分析。
非偏振照明
對(duì)于具有非相干非偏振照明的系統(tǒng)，運(yùn)行第二次仿真，將源偏振旋轉(zhuǎn) 90 度，然后對(duì)結(jié)果求平均值。這可以通過(guò)對(duì)源偏振角進(jìn)行 2 點(diǎn)參數(shù)掃描輕松實(shí)現(xiàn)。
收斂
使用當(dāng)前設(shè)置（模擬范圍為 1x1x1 um3，網(wǎng)格精度3，5nm網(wǎng)格附近粒子）仿真需要大約150 MB的內(nèi)存，運(yùn)行時(shí)間約為1分鐘。這些設(shè)置提供了合理的精度水平，同時(shí)最大限度地減少了仿真時(shí)間。以下更改將提供更高的準(zhǔn)確性。
網(wǎng)格細(xì)化
將網(wǎng)格細(xì)化設(shè)置為“共形變體 1”，以實(shí)現(xiàn)金顆粒邊界的子單元分辨率。如果網(wǎng)格很粗糙，并且在目標(biāo)頻率下金屬和周圍介質(zhì)之間的介電常數(shù)差異很大，則選擇此設(shè)置時(shí)必須小心。最好執(zhí)行一些收斂測(cè)試。
網(wǎng)孔尺寸
將網(wǎng)格覆蓋網(wǎng)格尺寸設(shè)置為 0.8nm
模擬跨度
在所有方向上將模擬跨度設(shè)置為 2um。當(dāng)模擬區(qū)域太小時(shí)，共振表面等離子體模式的倏逝尾部將與 PML 邊界條件相互作用。
PML 反射
從 PML 邊界條件反射的任何光都可能影響結(jié)果。更多的 PML 層將減少反射。但是，如果您使用默認(rèn) 8 個(gè)圖層的“拉伸坐標(biāo) pml”，則無(wú)需更改它，除非您需要更高的精度。
DGTD 求解器
考慮使用米氏散射 （DGTD）獲得金屬納米顆粒的高精度結(jié)果。DGTD 求解器中有限元網(wǎng)格的性質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)更好的收斂，并且不易出現(xiàn)階梯和熱點(diǎn)問(wèn)題。
下圖顯示了更高精度 FDTD 仿真的橫截面。FDTD 與理論結(jié)果之間的一致性顯然要好得多。此外，較小的網(wǎng)格會(huì)產(chǎn)生更高分辨率的場(chǎng)輪廓，從而更好地解析金屬界面附近的場(chǎng)。
展開(kāi) 摘要
平面波對(duì)于任意半徑和折射率的球形粒子的吸收和散射問(wèn)題，米氏解是嚴(yán)格的麥克斯韋求解器。其得到的散射效應(yīng)十分依賴于粒子的大小。根據(jù)其特性，散射可以分為瑞利散射、米氏散射和幾何光學(xué)散射。VirtualLab Fusion中包含了完整的米氏解。該案例研究了不同半徑的球形粒子散射。
模擬任務(wù)
散射分類
非吸收球形的散射（摻雜硅）
吸收球形的散射（金）
在VirtualLab Fusion中查看
VirtualLab Fusion技術(shù)
文件信息
展開(kāi) 使用單個(gè)監(jiān)視器時(shí)，必須使仿真跨度足夠大，以使大多數(shù)散射光在到達(dá) PML 吸收邊界之前可以通過(guò)監(jiān)視器。此問(wèn)題僅適用于遠(yuǎn)場(chǎng)分析。無(wú)需更改橫截面和近場(chǎng)測(cè)量的分析。
非偏振照明
對(duì)于具有非相干非偏振照明的系統(tǒng)，運(yùn)行第二次仿真，將源偏振旋轉(zhuǎn) 90 度，然后對(duì)結(jié)果求平均值。這可以通過(guò)對(duì)源偏振角進(jìn)行 2 點(diǎn)參數(shù)掃描輕松實(shí)現(xiàn)。
收斂
使用當(dāng)前設(shè)置（模擬范圍為 1x1x1 um3，網(wǎng)格精度3，5nm網(wǎng)格附近粒子）仿真需要大約150 MB的內(nèi)存，運(yùn)行時(shí)間約為1分鐘。這些設(shè)置提供了合理的精度水平，同時(shí)最大限度地減少了仿真時(shí)間。以下更改將提供更高的準(zhǔn)確性。
網(wǎng)格細(xì)化
將網(wǎng)格細(xì)化設(shè)置為“共形變體 1”，以實(shí)現(xiàn)金顆粒邊界的子單元分辨率。如果網(wǎng)格很粗糙，并且在目標(biāo)頻率下金屬和周圍介質(zhì)之間的介電常數(shù)差異很大，則選擇此設(shè)置時(shí)必須小心。最好執(zhí)行一些收斂測(cè)試。
網(wǎng)孔尺寸
將網(wǎng)格覆蓋網(wǎng)格尺寸設(shè)置為 0.8nm
模擬跨度
在所有方向上將模擬跨度設(shè)置為 2um。當(dāng)模擬區(qū)域太小時(shí)，共振表面等離子體模式的倏逝尾部將與 PML 邊界條件相互作用。
PML 反射
從 PML 邊界條件反射的任何光都可能影響結(jié)果。更多的 PML 層將減少反射。但是，如果您使用默認(rèn) 8 個(gè)圖層的“拉伸坐標(biāo) pml”，則無(wú)需更改它，除非您需要更高的精度。
DGTD 求解器
考慮使用米氏散射 （DGTD）獲得金屬納米顆粒的高精度結(jié)果。DGTD 求解器中有限元網(wǎng)格的性質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)更好的收斂，并且不易出現(xiàn)階梯和熱點(diǎn)問(wèn)題。
下圖顯示了更高精度 FDTD 仿真的橫截面。FDTD 與理論結(jié)果之間的一致性顯然要好得多。此外，較小的網(wǎng)格會(huì)產(chǎn)生更高分辨率的場(chǎng)輪廓，從而更好地解析金屬界面附近的場(chǎng)。
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米氏散射仿真的最新內(nèi)容
[VirtualLab] 平面電磁波散射中麥克斯韋方程組的米氏解5個(gè)月前
摘要
平面波對(duì)于任意半徑和折射率的球形粒子的吸收和散射問(wèn)題，米氏解是嚴(yán)格的麥克斯韋求解器。其得到的散射效應(yīng)十分依賴于粒子的大小。根據(jù)其特性，散射可以分為瑞利散射、米氏散射和幾何光學(xué)散射。VirtualLab Fusion中包含了完整的米氏解。該案例研究了不同半徑的球形粒子散射。
模擬任務(wù)
Ansys Lumerical | 米氏散射 FDTD10個(gè)月前
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計(jì)算平面波激發(fā)的納米粒子的散射和吸收截面、局部場(chǎng)增強(qiáng)和遠(yuǎn)場(chǎng)散射分布（Mie 散射）。將截面和遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)果與解析解進(jìn)行比較，以驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性。
概述
納米粒子的散射特性通常用場(chǎng)增強(qiáng)、橫截面和遠(yuǎn)場(chǎng)分布來(lái)描述。本例展示了如何從單個(gè) FDTD 仿真中獲得這些結(jié)果。
運(yùn)行和結(jié)果
1.打開(kāi)仿真文件，然后單擊“運(yùn)行”按鈕。
2.可以通過(guò)右鍵單擊監(jiān)視器或分析組并選擇感興趣的參量來(lái)手動(dòng)瀏覽結(jié)果
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這篇文章描述了如何在 OpticStudio 中建立 DLL 米氏散射（Mie scattering）模型。下方鏈接的范例文件演示了如何以該模型進(jìn)行散射的模擬。范例系統(tǒng)包含了兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)1模擬了光線入射空氣中的水滴后，在散射時(shí)達(dá)到瑞利極限（Rayleigh limit）的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)2則模擬了光線在較大的粒子中發(fā)生散射時(shí)的情形，此時(shí)光學(xué)現(xiàn)象的討論由瑞利極限轉(zhuǎn)變?yōu)槊资仙⑸涞姆懂?/div>
摘要
平面波對(duì)于任意半徑和折射率的球形粒子的吸收和散射問(wèn)題，米氏解是嚴(yán)格的麥克斯韋求解器。其得到的散射效應(yīng)十分依賴于粒子的大小。根據(jù)其特性，散射可以分為瑞利散射、米氏散射和幾何光學(xué)散射。VirtualLab Fusion中包含了完整的米氏解。該案例研究了不同半徑的球形粒子散射。
模擬任務(wù)
散射分類
非吸收球形的散射
計(jì)算平面波激發(fā)的納米粒子的散射和吸收截面、局部場(chǎng)增強(qiáng)和遠(yuǎn)場(chǎng)散射分布（Mie 散射）。將截面和遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)果與解析解進(jìn)行比較，以驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性。（聯(lián)系我們獲取文章附件）
概述
納米粒子的散射特性通常用場(chǎng)增強(qiáng)、橫截面和遠(yuǎn)場(chǎng)分布來(lái)描述。本例展示了如何從單個(gè) FDTD 仿真中獲得這些結(jié)果。
運(yùn)行和結(jié)果
1.打開(kāi)仿真文件，然后單擊“運(yùn)行”按鈕。
<p>對(duì)于球形納米顆粒被平面光照射后的散射問(wèn)題，前人mie已經(jīng)給出了精確的數(shù)值解析解來(lái)求解散射效率，消光效率，吸收效率，我簡(jiǎn)稱mie散射公式/米氏散射公式。其他形貌（金棒形，金納米星形，正方形等等）不適用mie散射公式。</p><p>在之前第二篇文章的文獻(xiàn)中，作者已經(jīng)給出米氏散射公式如下<img src="https://img.jishulink.com/upload/202304/9c6cb860894a4aafbf373876c4ba6f18
