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| 24I-T40 2024-12-莎益博董冠佑-微纳光学第一課-仿真区域的切分.pdf |
微纳光学第一课-仿真区域的切分 |
2024-12-12 17:12:15 2024-12-12 17:12:15 |
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微纳光学第一课-仿真区域的切分
2024.12.121. 前言
先前莎益博有两篇文章，「开始波动光学仿真前的准备工作」，以及「微纳光学与几何光学仿真模型的不同之处」，第一篇介绍了微纳或者说波动光学仿真前的分析工作以及应有的期待，第二篇讲解微纳仿真看待模型的观点，以及可能产生误差的来源。建议读者先看过再开始学习微纳光学仿真，在模型的建立上可以少走一些弯路。
本篇开始光学仿真的第一课，由于波动光学仿真需要大量的算力，正确的拆分模型是首重之重，除了提高仿真的可行性，也影响仿真的正确性。首先用第一篇文章的技巧找到关键的部件，接着往外观察此部件跟其他部件的作用方式，决定正确的仿真范围。
2. 决定仿真范围的重要因素
在建立模型之前首先要决定正确的仿真范围，并且针对这些范围准备需要的材料或尺寸等必要输入。用第一篇文章的技巧找到关键的部件后，三个主要因素决定了仿真范围：第一个是光源的相干长度，第二是光源的波长，第三是近场远场的定义。如果要说的四个，可能跟不同的软件或是不同算法会有不同，下一段再举例说明。
2.1 光源的相干长度
在第一篇文章有介绍过，这是是光源的特性之一，指一道光源分成两道后还可以彼此相干的光程差，在相干长度内光才能互相干涉呈现波动的特性。光源产生的原理通常具有随机性与乱度，让大部分的光源相干长度很短不容易被观察到，但是经过一些「过滤手法」可提高它的相干长度，比如距离放远，加上一个过滤的孔径，或是利用共振腔创造出所谓的激光光源。
以惠更斯假说「波前都是点光源」的观点来说，距离放远或加上一个过滤的孔径都是减少一起分析的点光源数量，数量越少则光源之间的更容易找出光程差的公倍数，就更容易发生干涉。共振腔通常包含一个较小的出光孔洞与腔体，腔体可能靠材料分布或是长度，让光源在腔体内先多次干涉过，符合特定特性的光源成分建设性相干被筛选出来，并且有只有可以通过出光孔洞的部分作为激光被我们看见。
图片出自什么是法布里-珀罗激光二极管（Fabry-Perot Laser Diode）？_行业应用-光电查
这也是小尺寸部件更需要考虑微纳光学的原因之一，小的器件存在一些被细小化的孔洞或面，孔洞如上述说明的过滤作用，面则可想成将光源分类了，光源照到相同性质的细小的面，具有相同的特性，比如往一个方向传播，照射到其他不同性质的细小的面的光源往另一个方向传播，跟原本的光源相比更有秩序性。
要注意一点：在微纳仿真中光源相干长度是无限长的。这对于使用激光光源的通信仿真来说没有问题，通过共振腔结构可以做出相干长度为数十厘米甚至更长的光源。但对于一般说的不相干光源，指人眼难以察觉到波动现象的光源，这些光源的相干长度通常数十微米，只有在器件真的很小的时候可以观察到相干，因为现实跟仿真中的不同，就可能引发一些错误的结果。
常见的应用比如眼镜的抗反镀膜，膜层的厚度在几纳米到百纳米的等级，来自各种物体反射的光经过了非常长的光程，彼此不相干，但是一道波自己被多层接口分成的数道波之间，因为层很薄的原因还可以互相相干，才做到利用破坏性干涉减少反射率的功能。以下图为例子，TiN 材料很薄，TIN 上表面与下表面的两反光(C)与(D)之间的光程差相差不多，可以设计他的光程差来决定干涉的情况，但是光刻胶较厚，形成的上表面反射(B)无法与(C)或(D)进行干涉，此时就建议(B)反光要从仿真范围剔除，避免仿真中光源相干长度无限长与实际不同而错估了实际的现象。
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