COMSOL Multiphysics 5.4模拟表面等离激元线光栅.pdf

平面电磁波入射到电介质基板的线光栅上，此模型计算折射、镜面反射和一阶衍射的透射和反射系数。光栅常数或金线之间的距离为 d。平面偏振光在通过折射率为 n 的介质后入射到光栅上，入射方向与光栅的垂直平面成  角。 COMSOL Multiphysics 5.4 模拟的表面等离激元线光栅模型是一种用于分析光栅光学特性的工具，它专注于计算折射、镜面反射和一阶衍射的透射和反射系数。该模型适用于平面电磁波入射到具有电介质基板的线光栅的情况。光栅由金属（如金）线构成，线与线之间的距离（光栅常数）为 \( d \)，通常假设这些线是无限长的。 在模型中，平面偏振光经过折射率为 \( n_{\alpha} \) 的介质后，以 \( \alpha \) 角入射到光栅上。光栅位于折射率为 \( n_{\beta} \) 的电介质材料上。衍射现象的出现依赖于光的波长与光栅常数的比较；如果波长相对较短，可能会有多个衍射级。模型主要关注一阶衍射，即 \( |m| = 1 \) 的情况，因为它符合 \( \lambda_0 d \sin(\beta_m)/n_{\alpha} \sin(\alpha) < 1 \) 和 \( \lambda_0 d \sin(\alpha_m)/n_{\beta} < 1 \) 这两个条件，其中 \( \lambda_0 \) 是真空中的波长，\( \beta_m \) 和 \( \alpha_m \) 分别是一阶衍射的透射和反射角。 模型的几何结构简化为一个切面单元，通过 Floquet 边界条件来模拟周期性。这种边界条件允许在一个单元内解决问题，同时考虑到相邻单元的影响。对于透射和反射，干涉条件要求光束路径差为真空波长的整数倍，以实现相长干涉。 COMSOL Multiphysics 模型计算了不同偏振模式（横电波（TE）和横磁波（TM））下的透射和反射系数。对于 TE 波，电场分量存在于 z 轴方向，而对于 TM 波，电场沿 xy 平面并与传播方向垂直，磁场仅在 z 轴方向有分量。模型对入射角进行了从 0 到 \( \pi/2 \) 的扫描，步长为 \( \pi/40 \)。 模型的结果包括电场模的分布图像以及透射和反射系数的图形表示。例如，当入射角为 \( \pi/5 \) 时，TE 波和 TM 波的电场模显示出不同的特性。透射和反射系数的图形显示了随着入射角的变化，反射（R0）和折射（T0）的相对强度，以及一阶衍射的贡献（R1 和 T1）。值得注意的是，由于金属导线的介电损耗，所有系数之和小于 1，且 TM 波的镜面反射在接近 \( 60 \) 度时显著降低。 这个 COMSOL 模型提供了一种强大的工具，用于理解和优化表面等离激元线光栅的光学性能，对于设计和分析光通信、光谱学和纳米光学器件等应用具有重要意义。通过调整参数如光栅常数、入射角度和材料属性，可以深入研究不同条件下的光栅行为，为实际应用提供理论支持。