FDTD超材料专题教程：Lumerical FDTD光学超材料仿真24讲

本课适合哪些人学习：

1、物理学、光学、光学工程等相关专业本科生和研究生

2、希望深入学习光学仿真的高校教师

3、学习型仿真工程师

4、从事光学超表面研发的工程师

5、部分微纳光子器件领域的研发工程师

6、Lumerical FDTD Solutions软件学习和应用者

你会得到什么：

1、学员可以了解光学超材料的前沿研究方向；

2、掌握FDTD Solutions光学超材料仿真分析方法、以及FDTD中的脚本分析语言

3、掌握吸光型超表面、偏振转换型超表面、异常反射/折射型超表面、梯度超表面、聚焦超透镜、类全息超透镜的准确模型建立方法；

4、掌握FDTD软件中各类材料的定义，包括nk型材料、介电常数定义材料、根据实验数据准确创建材料、二维材料（石墨烯）、Drude模型材料等等

5、掌握FDTD算法中的完美匹配层（PML）、对称性边界、网格稳定性条件、时域频域转换、收敛性判定等算法理论基础

6、掌握脚本绘制极端复杂几何结构、命令行调用软件功能、参数扫描及相关结果绘制、自己开发分析组拓展软件功能等涉及编程的技巧

7、解决学员在FDTD学习过程中资料陈旧、难以与实际科研工作联系的痛点；

课程介绍：

课程大纲

第一讲 课程介绍&零基础入门

 根据发表在ACS Photonics上的论文

•  课程内容介绍

•  课程价格和购买方式

• 基本物理理论知识

• 通用建模思路 

• 软件界面介绍

• 举例介绍基本建模方法

 第二讲 红外完美吸收器

 根据发表在Phys.Rev.Lett.上的论文

•  在材料库中自行添加材料

•  对特定区域手动划分网格

•  查看反射率和透射率

•  编写代码，计算“1-反射率-透射率”得到吸收率

• 查看电场分布

• 计算吸收功率密度(W/m³)分布

• 计算金属中的电流密度分布

• 计算金属中的电荷分布

第三讲 宽角度可见光吸收器

 根据发表在Appl.Phys.Lett.上的论文

•  优化宽光谱下的材料拟合参数

•  复习反射率、透射率、吸收率的画法

• 介绍“周期性条件”和“Bloch条件”的区别

• 演示宽光谱斜入射下“Bloch条件”的失效原因 

• 介绍BFAST平面光源的适用条件

• 介绍参数扫描 

• 介绍二维云图的画法

第四讲 石墨烯完美吸收器

根据发表在Opt.Express上的论文

• 复习斜入射时的BFAST光源设置 

• 复习编写代码画出吸收率

• 复习用参数扫描画二维云图

•  介绍计算石墨烯电导率的Kubo公式

•  材料库中添加(没有厚度的)二维材料

•  在结构组中编写代码绘制几何结构

•  介绍二维材料的网格划分要点

•  查看电场分布

第五讲 偏振转换

根据发表在APL Photonics上的论文

• 复习宽光谱下的材料拟合

• 提取线偏振光的透射相位

• 编写代码，计算两种透射光的相位差

• 编写代码，计算透射光中x或y方向线偏振光成分的功率，继而算出：“x偏振→y偏振”的转换效率

• 编写代码，计算透射光中左旋或右旋圆偏光成分 的功率，继而算出：“线偏振→圆偏振”的转换效率

第六讲 二次谐波产生

• 根据发表在Science上的论文 o在材料库中自定义Drude模型材料

• 复习透射率的做法 

• 用监视器查看磁场分布

• 编写代码，计算自由电子漂移速度 

• 编写代码，计算电流密度分布

• 编写代码，计算电子受到的洛伦兹力

• 验证产生了二次谐波源

第七讲 异常反射

根据发表在Nano Lett.上的论文

• 利用参数扫描计算不同棒长的电场分布和反射相位 

• 编写代码，将不同棒长的电场分布拼在同一张图里 

• 编写代码，绘制较复杂的周期性结构

• 分析“异常透射/反射/折射”类问题的边界条件设置

• 编写代码，用傅里叶变换方法和远场方法计算异常，反射光的角分布

• 编写代码，用傅里叶变换方法和远场方法计算反射光强的二维云图

 第八讲 圆偏振超透镜

 根据发表在Nature Commun.上的论文

• 编写代码，绘制较复杂的周期性结构

• 介绍圆偏振光源如何设置

• 编写代码，演示从总场中减去入射场得到散射场

• 编写代码，画出散射场的相位分布图

• 实现类凸透镜和类凹透镜的效果

第九讲 涡旋光产生

 根据发表在Science上的论文

• 编写代码，绘制较复杂的周期性结构

• 复习利用参数扫描计算不同棒长的电场分布和反射相位

•  用参数扫描，做出不同臂长和不同夹角下散射场强的二维云图

•  用参数扫描，做出不同臂长和不同夹角下散射场相位的二维云图

•  用高斯光照射超表面实现涡旋光产生

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