FDTD_mie散射_项目研究（1）

mie散射

项目翻译

计算由平面波激发的纳米粒子的散射和吸收截面、局部场增强以及远场散射分布（米氏散射）。将截面和远场结果与解析解进行比较，以验证模拟的准确性。

纳米粒子的散射特性一般从场增强、横截面和远场分布等方面来描述。这个例子展示了如何从单个FDTD模拟中获得这些结果。

运行和结果

局部场增强  电磁场与纳米粒子的相互作用可在粒子表面产生强烈的场增强。频域场监视器可直接测量局部场增强。以下各图分别展示了在最接近脚本中指定的“目标波长”的波长点处，通过粒子中心的 XY、XZ 和 YZ 平面上的 |E|²。可以注意到，TFSF 源的边缘在图像中表现为颜色的突然变化。源内部的场为“总”场（即入射场 + 散射场），而源外部仅可见“散射”场。

吸收和散射截面  

吸收截面（总吸收功率除以入射光束单位面积的功率）由位于 TFSF 源内部的分析组计算得出。该分析组测量流入粒子的净功率，并将其归一化为源强度，从而得出吸收截面。同样，散射截面由位于 TFSF 源外部的分析组计算得出。

根据定义，对于三维模拟，截面的单位为平方米；对于二维模拟，单位为米。截面测量值通常会根据散射体的大小进行归一化处理，如以下图示所示。米氏效率被定义为截面与几何面积（对于球体为πr²，对于圆为2r）的比值，并通常以尺寸参数（2πn₁/λ）为横坐标绘制，其中n₁为 FDTD 区域的背景折射率，在空气中为 1。

将 FDTD 结果与通过 mie3d 脚本获得的解析解进行了比较。两者结果之间的差异较为明显，需要对模拟设置进行一些改进。这将是接下来关于收敛性测试部分的主题。

远场角散射  

在大多数散射实验中，对散射场（辐射模式）的测量是在远离散射体的位置进行的，相对于所考虑的波长尺度而言。 "scat_ff" 监测器返回远场中的散射场分布。以下极坐标图展示了 X-Y、X-Z 和 Y-Z 平面中远场的散射场。每个图都包含两种颜色的线：蓝色表示 FDTD 模拟结果，绿色表示来自 mie3ds12 脚本命令的解析结果。第一张图说明了每个平面中极角的定义方式。

重要的模型设置

模型设置脚本  

模型对象中的设置脚本用于设置网格大小、模拟范围和粒子位置。该脚本是一种便捷的方式，可确保模拟区域、网格覆盖区域、源、散射体和吸收监视器的位置正确。例如，重要的是 TFSF 源位于散射体和吸收监视器之间，且这些对象之间至少有两个网格单元的距离。这些对象的位置必须通过设置脚本进行设置。其他属性，例如模拟时间，可以直接在对象中修改。

TFSF 源  

TFSF 源专门针对此类情况而设计，即非周期性物体被平面波照射。它通过将散射场与入射场分离，使纳米粒子的散射分析变得简单直接。为了使散射分析正常工作，确保散射体完全位于 TFSF 源内至关重要。

使用 TFSF 源进行功率归一化  

使用 TFSF 源进行功率归一化可能会令人感到困惑。与其将结果归一化到源功率（对于理想的平面波，由于其范围无限，源功率也是无限的），不如通过源强度进行归一化。这会导致功率测量值以横截面类型的单位返回。有关更多信息，请参阅 TFSF 源页面的功率归一化部分。

“abs”和“scat”分析组

在三维模拟中，横截面分析组由六个二维监视器组成，形成一个封闭的盒子，用于测量进出该盒子的净功率。这些分析组的位置非常重要。“abs”分析组用于测量吸收功率，必须完全位于 TFSF 源内部但粒子外部。“scat”监视器必须完全位于 TFSF 源外部。

网格覆盖区域  

在涉及金属的模拟中，网格覆盖区域通常用于更精确地确定金属界面的位置，尤其是在曲面的情况下。在此模拟中，网格覆盖区域设置得足够大，不仅覆盖了金球，还覆盖了整个 TFSF 区域。这样做是有意为之，因为 TFSF 源在均匀网格区域中效果最佳。另外，请注意网格尺寸会影响总和散射监视器与源的距离。最好在源和监视器之间保持至少两个网格单元的距离，以避免放置在灰色阴影的源注入区域内的监视器返回不物理的结果。请注意，这些条件由“模型”设置脚本强制执行。有关更多信息，请参阅有关监视器与其它对象距离的页面。

对称性  

此模拟在 X 和 Z 两个维度上都具有对称面。为了将模拟时间和内存减少四分之三，将 X 方向的最小边界条件设置为对称，将 Z 方向的最小边界条件设置为反对称。请注意，只有当粒子和源都具有必要的对称性时，才能使用对称性。

基于您的设备参数更新模型的说明

该模拟文件已参数化，以便更轻松地设置模拟。当前模板使用球形粒子，但也可用于任意形状的粒子或多个粒子。在“模型”中指定参数后，其余模拟对象的大小将自动调整。

设置源波长范围和偏振。设置纳米粒子的材料或折射率。在“模型”中设置纳米粒子的跨度和位置、网格覆盖的网格大小以及模拟跨度。源和“abs”/“scat”分析组将自动间隔最多两个网格单元，纳米粒子将完全被“abs”分析组包围。当模拟非球形粒子或多个粒子时，可能需要更新边界条件以匹配新结构的对称性。相关的脚本文件也需要修改，以校正几何区域和散射体的尺寸参数。