CST电磁仿真软件表面等离子极化激元SPP --- 一维光栅耦合 - 衍射模式, 效率, Floquet端口

这两期我们看一下衍射光栅的高阶衍射、衍射效率、反射率。具体到仿真设置,就是Floquet端口的模式分析,S参数与衍射效率和反射率的关系。那么研究这些衍射和表面等离子极化激元SPP有什么关系呢?关系可大了,光栅是一种能够用来激励出SPP模式的结构,所以我们要了解其衍射特性,才能激励出表面波SPP。

使用等离子激元单元模板,开启计算透射率反射率吸收率:

添加银材料,画个因材料的基底,这里d是光栅周期长度,1000纳米:

将WCS移至上方中间,添加光栅,这里ratio是光栅与周期的比,可放0.5,h是光栅高度,可放250:

Z+方向加1000:

Z-方形电边界,其他为Unit Cell:

边界扫描角设theta,初始为0(垂直入射):

进入Zmax端口:

可见该尺寸有6个模可传播(有beta值),这样我们将仿真模数改成6:

注意这里截图只显示了前5个模式。6个模式分别是:

TE(0,0),TM(0,0),TE(1,0),TM (1,0),TE(-1,0),TM (-1,0)。

括号里第一个数字对应X,对应光栅衍射中的0阶,1阶和-1阶模式;第二个数值对应Y都是0就是指1维光栅。

如果下拉列表就可以看到可传播的模式有beta传播常数,不可传播的模式则是alpha衰减系数。

还要注意,这下面的Theta是0,表示这些模式beta和alpha分析的是垂直入射的情况;如果将Theta改成45度,点击update,模式就都更新了,虽然还是只有6个传播模,但是X发生改变,阶数不同了。

所以,在我们等一下研究入射角时,我们就要增加计算模式,比如10个模式,这样就包括了-2阶,-1阶,0阶,1阶和2阶。更要注意,这个theta和边界扫描角参数theta作用不同,这里只是计算模式参数,边界那个是真正用来扫描入射角的。

1.  垂直入射的衍射模:

Theta先用0,我们在求解器中,选择Zmax端口只激励两个基础模,因为我们要仿真出光栅的衍射,而不是用衍射作为输入仿真。这里选择一个自动的频点进行仿真,也就是求解器的频点。

仿真结束,看S参数,先看TE模,S11反射不高,主要以S31和S51两个模式传出能量,其他S21,S41和S61可忽略,因为他们是TE与TM模转换,这里基本不涉及。同理TM模S参数效果相同。

查看模式场,垂直入射的TE(0,0)模:

该模激励出来的电场:

垂直入射的TM(0,0)模:

该模激励出来的电场:

垂直反射回来的0阶衍射模TE(0,0)和TM(0,0)就不显示了,很好理解,下面看看高阶模方向。

反射的1阶衍射模TE(1,0)方向:

反射的1阶衍射模TM(1,0)方向:

反射的-1阶衍射模TE(1,0)方向:

反射的-1阶衍射模TM(1,0)方向:

可见这种方形的光栅差不多把垂直入射波衍射到了两边45度角左右,能量比垂直反射回去要高很多,这就是光栅的模式调节作用。

对于垂直入射的模式,就是对应公式中的m:

2.  凹槽深度(groove depth)与衍射效率

该光栅早在1982年就被分析过了,文献中给出了1阶衍射效率和吸收率,分别与光栅深度的关系(TE):

这就需要用到模板帮我们添加好的这些结果了:

R是反射率,T是透射率,A是吸收率。在这里的透射率是指不同模式之间的转换能量,也就是光栅模式衍射的效率。那么这个E极化的1阶衍射效率是哪个T结果呢?是T31。文献还给了H极化的1阶衍射效率和吸收率,这个是T42。

所以,我们所需要做的就是扫描参数h了:

扫描结束后,可用后处理将离散1D结果合并成0D曲线:

四个结果,四个处理,我就不改名了,

可见与文献结果一致。

3.  扫描入射角

文件另存,将参数改成以下数据:

波长看647.1纳米:

除了材料库中的银,我们自己添加Drude模型银材料:

由于要扫描入射角,所以Floquet模式数量要增加,计算高阶衍射:

频域求解器还是计算1个频点,两个基础模:

参数扫描Theta到70度,开始。

扫描过后,反射率会在结果文件夹中,不过都是一些离散频点,需要换成0D曲线:

对两个R11分别提取0D结果:

查看曲线,可见两个基础模的反射效果并不一样:

这个现象熟悉表面等离子激元的朋友肯定能猜到了,就是TM才能激励出SPR模,TE不行,TE是很单调的(monotone behavior)。换句话说,在入射角为14,24和60度时,TM模发散能量很低,那能量去哪里了?答案是表面传播了,只有TM模(也叫H极化、p极化或P-偏振光)可在该光栅表面激励起等离子极化激元。

必须和文献中计算和测量的一致:

如果还不明白就看动图:

theta=14度:

theta=24度:

theta=30度(非表面传播):

参考:

Sheng, P., Stepleman, R. S., &Sanda, P. N. (1982). Exact eigenfunctions for square-wave gratings: Applicationto diffraction and surface-plasmon calculations. Physical Review B, 26(6),2907–2916. doi:10.1103/physrevb.26.2907 

小结:

1.  F-solver的Floquet端口模式对应光栅衍射的模式,方便我们研究光衍射,以及用光栅激励SPP。

2.  如果材料库中的光学材料色散与所需的不同,可用本案例提到的宏,生成drude模型材料。

3.   (光)透射率(Transmittance)在光栅衍射分析时可以是衍射率(diffraction efficiency)哦!搞清楚Floquet模式就不会搞混定义了~

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(内容、图片来源:CST仿真专家之路公众号,侵删)

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