总场散射场光源的设置 #

本节是关于总场散射场光源设置的介绍。

在研究散射场的问题时，可以使用总场散射场（Total-Field Scattered-Field, TFSF）光源直接获取散射场。

在求解器选项卡中选择TFSF，在复合视图中创建TFSF光源，在自动弹出的编辑属性界面中设置参数。

TFSF 光源 #

在FDTD中，TFSF光源将计算区域分为两个不同的区域：

• 总场$\boldsymbol{E}_{total} = \boldsymbol{E}_{inc} + \boldsymbol{E}_{scat}$，即总场$\boldsymbol{E}_{total}$等于入射场$\boldsymbol{E}_{inc}$加上散射场$\boldsymbol{E}_{scat}$之和；
• 散射场区仅包括散射场$\boldsymbol{E}_{scat}$。

TFSF光源通常用于研究散射问题和天线问题。典型用途包括：

• 均质介质中的颗粒（可能是有损的或各向异性的），例如三重散射；
• 多层基板中的非周期性结构，可以是有损的或各向异性的；
• 多层基材中的周期性结构，当与周期性或 Bloch 边界条件结合使用时。

TFSF光源是高级光源，用户必须根据本说明确定光源设置的合理性，从而保证所得结果的正确性，否则错误设置可能导致结果错误。

TFSF 光源的设置 #

通用设置 #

General选项卡用于设置光源的注入轴和振幅等信息。

Name	Description
Direction	TFSF光源的传播方向，Forward为正向传播，Backward为反向传播。
Incident axis	下拉选择TFSF光源的注入轴。
Amplitude	光源振幅；默认为1。
Phase shift	相位偏移；用于设置多个光源之间的相位延迟。
Angle theta	光源传播方向与入射平面法线的夹角。
Angle phi	光源的传播方向在交界面（假定光沿Z轴传播，XY面即是交界面）上的投影与X轴正向的夹角。

编辑光源General标签页的Angle theta和Angle phi可以设置光源的注入角，其中Angle phi仅在3D仿真中可设置。

几何尺寸 #

Geometry标签页用于设置光源的几何尺寸。

Name	Description
Use relative coordinate	使用相对坐标。
Z/X/Y pos	光源的中心。
Z/X/Y span	光源的范围。
Cells Z/X/Y	Z/X/Y方向上的偏移单元数。

偏振 #

Polarization标签页用于设置光源偏振，Linear polarization(θ)为线性偏振的偏振角。

波长/频率 #

Wavelength/Frequency标签页用于设置光源的波长/频率信息。

Name	Description
Continuous wave	连续波。
Modulated gaussian wave	调制的高斯波。
Select domain	选择Wavelength或Time作为输入参数的定义域。
Center/Span	Center/Span用于设置中心波长和波长带宽。
Max/Min	Max/Min用于设置带宽的最大值和最小值。
Central frequency	定义中心频率。
Pulse width	定义脉冲宽度；设置的脉冲宽度能够包含需要仿真的波长或频率范围。
Pulse offset	定义脉冲偏移；该参数定义了从仿真开始到输入脉冲中心之间的时间间隔，因此在仿真开始时初始场接近于零。为保证输入脉冲不被截断，脉冲偏移应至少为脉冲持续时间的2倍，以确保光源中心频率附近的频率分布接近对称。
Bandwidth	定义光源在频域的半波全宽。
Pulse type	分为标准（Standard）和宽带（Broadband）两种类型，只读参数。

软件提供了波长/频域的图像，分别绘制了：

• 时间域信号；
• 波长域光谱；
• 频域光谱。

TFSF光源的注意事项 #

用户在使用TFSF光源时应当遵循以下注意事项，以避免TFSF光源设置中的常见错误，确保仿真结果的准确性和可靠性。

TFSF光源的结构设置 #

在添加TFSF光源时，请确保以下条件：

• 散射体必须完全位于TFSF光源内；
• 光源的波矢必须垂直于基板。换句话说，TFSF光源的所有侧面都必须沿传播方向“看到”相同的折射率分布。

下文中展示了一个有效设置示例和一个无效设置示例。

有效注入：光源的波矢垂直于金层和玻璃层。光源的每一面沿传播方向（从注入面到端面）“看到”相同的折射率分布（空气-金-玻璃）。

无效注入：光源的波矢与基板不垂直。光源的上方“看到”空气的折射率，而下方“看到”衬底的折射率。

TFSF光源的内部结构，我们可以分为以下两种情况:

• 1. TFSF光源内为同一介质；
• 2. TFSF光源内有不同介质：目前仅适用于传播方向介质一致的场景，比如多层材料，暂时不支持TFSF光源内包含不同介质的复杂分布。

以下将对上文中的两种情况进行详细描述：

1. 对于TFSF光源内部仅有一种介质，TFSF光源支持任意角度入射。
建议用户在进行斜入射仿真前，可先禁用材料结构以检查TFSF光源设置是否正确，再进行下一步仿真。两者的仿真结果如下图中所示。禁用结构后，TFSF光源在真空中传播，电场只集中分布在TFSF区域内（即总场内），散射场几乎为0。

2. 在多层材料仿真中，各材料层的法线方向必须与总场散射场（TFSF）光源的注入平面保持垂直。因此，模拟斜入射时，只允许改变光源的入射角度，而严禁改变材料层的放置方向。在此设置下，透过衬底的传播场将被严格限定在总场区域内，无法作为散射场穿过TFSF边界。在下图所示的多层硅-二氧化硅结构斜入射仿真中，电磁场被TFSF边界完全吸收，实现了与散射场区域的完全隔离。

此外，在上图中的空气-金-玻璃层的仿真中，如果在金层中间增加一个间隙，散射光可以通过间隙进入散射场区域。该间隙视为散射体，应完全位于TFSF光源内部。

目前，TFSF光源已支持在任意入射角度下使用非均匀网格进行仿真。若仿真结果出现异常，建议用户可以尝试切换至均匀网格进行排查，以排除网格因素带来的干扰。

TFSF光源跨越边界 #

一般情况下，TFSF光源不应跨越仿真区域边界，下面2种情况除外：

• 在PML边界处，软件会自动将光源约束在PML边界内，即TFSF光源仅在PML边界内部生效。
• 使用周期边界时，TFSF光源应当跨越该边界。同样支持跨越Bloch边界。

案例：介质球的米氏散射 #

使用TFSF光源研究介质球的米氏散射，相关内容请参阅介质球的米氏散射，工程为：

仿真结束后，提取散射场（TFSF光源包围空间外的场），使用远场分析，即可得到极坐标图、辐射图：