COMSOL 重现基于 THz 超构表面 BIC

COMSOL重现基于THz超构表面BIC在光学和电磁学领域基于太赫兹THz超构表面的束缚态在连续谱BIC现象一直备受关注。COMSOL Multiphysics 作为一款强大的多物理场仿真软件为我们重现和研究这类现象提供了有力工具。什么是基于 THz 超构表面的 BIC超构表面是一种人工设计的二维材料结构通过对亚波长尺度的结构单元进行精心排列可以对光的传播、偏振等特性进行灵活调控。而 BIC 指的是在连续谱中存在的本征模式这些模式虽然处于辐射连续谱中但却能保持局域化而不发生辐射损耗。在 THz 频段实现 BIC 具有重要意义比如可用于高灵敏度的传感、高效的光调制等应用。COMSOL 建模流程几何结构搭建我们首先要在 COMSOL 中构建超构表面的几何模型。以一个典型的基于金属 - 介质 - 金属三明治结构的超构表面为例假设上层和下层金属为金Au中间介质层为二氧化硅SiO₂。comsol// 创建三维几何模型geometry model.geom.create(geom1, 3);// 添加长方体表示上层金属uppermetal geometry.feature.create(uppermetal, Block);uppermetal.set(size, [10e - 6, 10e - 6, 0.1e - 6]);uppermetal.set(pos, [0, 0, 0.5e - 6]);// 添加长方体表示中间介质层dielectric geometry.feature.create(dielectric, Block);dielectric.set(size, [10e - 6, 10e - 6, 0.5e - 6]);dielectric.set(pos, [0, 0, 0]);// 添加长方体表示下层金属lowermetal geometry.feature.create(lowermetal, Block);lowermetal.set(size, [10e - 6, 10e - 6, 0.1e - 6]);lowermetal.set(pos, [0, 0, -0.5e - 6]);代码分析这里通过 COMSOL 的 API 依次创建了三个长方体来表示超构表面的三层结构。model.geom.create创建了三维几何对象geometry.feature.create则在该几何对象中创建具体的几何特征长方体。set函数用于设置长方体的尺寸和位置尺寸单位为米通过科学计数法来表示 THz 超构表面这种微小尺度的结构。材料属性设置接下来设置各层材料的电磁属性。金的介电常数可以通过 Drude 模型来描述二氧化硅则可以设置为相对介电常数为 3.9 的均匀介质。comsol// 设置金的材料属性gold model.materials.create(gold);gold.select(uppermetal, lowermetal);gold.property(electromagnetic, eps).set(model, drude);gold.property(electromagnetic, eps).set(epsinf, 1);gold.property(electromagnetic, eps).set(omegap, 1.37e16);gold.property(electromagnetic, eps).set(gamma, 1.37e14);// 设置二氧化硅的材料属性sio2 model.materials.create(sio2);sio2.select(dielectric);sio2.property(electromagnetic, eps).set(value, 3.9);代码分析model.materials.create创建材料对象然后使用select函数将材料应用到相应的几何对象上。对于金选择 Drude 模型来描述其介电常数设置了无穷频率下的相对介电常数epsinf、等离子体频率omegap和碰撞频率gamma。对于二氧化硅直接设置其相对介电常数为 3.9。边界条件与激励设置为了模拟 THz 波的入射我们需要设置合适的边界条件和激励源。假设从 z 轴正方向入射平面波。comsol// 设置背景材料为空气air model.materials.create(air);air.property(electromagnetic, eps).set(value, 1);// 设置完美电导体PEC边界条件pecbc model.physics(emw).bc.create(pecbc, ElectricWall);pecbc.select(uppermetal, lowermetal);// 设置平面波激励planewave model.physics(emw).source.create(planewave, PlaneWave);planewave.set(dir, [0, 0, 1]);plane_wave.set(E0, [1, 0, 0]);代码分析首先创建空气材料其相对介电常数为 1。然后为金属层设置完美电导体PEC边界条件这意味着电场在金属表面的切向分量为零。对于平面波激励通过model.physics(emw).source.create创建平面波源设置其传播方向为 z 轴正方向dir电场强度矢量的初始值E0为沿 x 轴方向。求解设置与结果分析完成上述设置后我们需要设置求解器来计算电磁场分布。comsol// 设置频率域求解器study model.studies.create(std1, FrequencyDomain);study.feature(freq1).set(f, 300e9);model.studies.solve(std1);// 查看电场强度分布结果result model.result;electric_field result.dataset(sol1).get(E);代码分析这里创建了一个频率域求解器std1并设置求解频率为 300 GHz300e9Hz然后调用model.studies.solve进行求解。求解完成后通过model.result获取结果对象从数据集sol1中获取电场强度E我们就可以进一步分析电场在超构表面的分布情况从而研究 BIC 现象。例如如果在特定频率下观察到电场在超构表面区域高度局域化这可能就是 BIC 模式的一个表现。通过 COMSOL 的这些步骤我们可以有效地重现基于 THz 超构表面的 BIC 现象为进一步深入研究和应用提供了基础。当然实际研究中还需要对结构参数进行优化以及考虑更多复杂的物理效应但这个基本流程为我们打开了探索的大门。COMSOL重现基于THz超构表面BIC