Ansys Insight: 关于光源的归化问题:频谱和功率

gsungsun Ansys Employee Posts: 141
edited April 5 in Photonics - Chinese

此问题实际上包含两个内容:频谱的归化和功率的归化

  • 频谱的归化

在Norm下,也就是正常的缺省的线性光学仿真,

目的是将仿真的频域结果归化为所有波长的入射强度都是一样的,相当于一个均匀光谱的光源入射,其原理参见这个帖子 Ansys Insight: Fdtd中是如何计算对不同波长的响应的

也就是说,频域的结果与光源的光谱分布无关,因此,完全没有必要追求均匀光谱的入射光源。

当然,如果必须是均匀光谱的光源,也是可以实现的 https://kb.lumerical.com/en/index.html?ref_sim_obj_custom_spectrum.html

但是,这个是假定是用一个线偏振光或者圆偏振光照射。个别情况下,有的用户因为某种需要,仿真时需要几个不同偏振方向的线偏振光,此时,透射率的归化可能需要进一步处理,因为软件并不知道你想要什么结果,什么样的照明,它将其简单地归为几个光源的功率非相干叠加。例如,在真空中设置完全一样的3个平面面波,Amplitude都设为1 v/m,偏振都是X,得到的透射率却是3,而不是1,因为仿真的结果是3个相同平面波的相干叠加,光强是3的平方,而光源的功率却是按3 来计算的,因此透射率成为3。

再举个例子,假如将上面的3个线偏光中的两个改为偏振角为正负60度,那末,透射率却是4/3, 因为此时仿真的结果是3个相同平面波的相干叠加,光强却是2的平方。感兴趣的读者可以证明一下。

以上内容的前提是,所有光源的频谱分布完全一样。如果它们的光谱分布不同,那么,频谱的归化本身就有了问题,不能这样仿真。

对于偶极子光源,也是类似的情况。所以,当要仿真透射率(出射率)等功率或者强度的绝对值时,用超过一个偶极子光源后也出现同样的问题,而且偶极子的辐射功率与周围环境,包括附近的其它偶极子都用关系。

大家可以看看KB的说明 https://kb.lumerical.com/en/ref_sim_obj_cw_normalization.html

光源是

归化只是将时间信号产生的频谱归化了,而振幅并没有归化,也就是

这个E0就是用户设置的光源振幅,相当于CW稳态的振幅。因此,如果设置为2V/m,结果就是相当于2v/m的稳态光入射。线性光学仿真时,频率域监视器首先通过对时间信号作傅里叶变换得到不同波长的稳态单色CW结果:

然后对对光源的光谱作归化:


因此频域监视器的结果与光源的光谱分布无关。

如果要得到指定光源光谱的结果,也就是与实验一致,只需要将归化后的结果直接乘以实际光源的光谱分布就可以了,用户没有必要自输入实际光谱,仅个别非线性光学仿真才需要。

更进一步讲,如果实际光源的光谱是光强光谱 (参见光强说明 https://kx.lumerical.com/t/topic/1269),例如太阳光,则应该用

FDTD归化结果*实际光源的光强光谱/FDTD光源强度分布

参见脚本 sourceintensity

如果实际光源的光谱是功率谱,则用

FDTD归化结果*实际光源的功率谱/FDTD光源功率分布

其中 FDTD归化结果/FDTD光源功率分布就是归一化的功率,即透射率或反射率.

FDTD归化结果是指场的归化.

光源功率 sourcepower

注: 对于偶极子,sourcepower是指偶极子在非吸收均匀介质中的辐射功率。

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