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
Incident axis	下拉选择TFSF光源的注入轴。
Direction	TFSF光源的传播方向，Forward为正向传播，Backward为反向传播。

关于TFSF光源振幅、相移和旋转的设置，请参阅光源的通用设置。

几何尺寸 #

Geometry标签页用于设置光源的几何尺寸，请参阅光源的几何尺寸设置。

偏振 #

Polarization标签页用于设置光源偏振。

Name	Description
Linear polarization(θ)	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，请参阅光源的波长/频率设置。

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，在斜入射时，必须使用均匀网格以避免大的数值误差。
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. 对于多层材料仿真，目前仅支持正入射仿真。一般情况下，通过基板的传播场无法穿过TFSF光源边界进入散射场区域。例如，在上图中的空气-金-玻璃层的仿真中，入射光被金层反射且被TFSF边界吸收，电磁场无法进入散射场区域。

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光源支持正入射角度下的非均匀网格仿真，但为了确保仿真精度和稳定性，建议用户使用均匀网格（即各方向网格尺寸dx、dy、dz相等）。若TFSF光源仿真出现异常或错误，请先检查网格尺寸是否均匀。

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。目前暂不支持跨越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：