基于COMSOL计算微纳结构中的多级散射_Comsol_电场_材料

基于COMSOL计算微纳结构中的多级散射

多级散射是量化分析共振模式的一个常用手段，通过计算不同偶极子散射的能量可以很好地研究微纳结构的辐射特性，例如Anapole由于ED和TD模式干涉相消表现为非辐射模式，TD环偶极子通常表现出高Q特性等等。通过复现一篇题为“Symmetric metasurface with dual band polarization-independent high-Q resonances governed by symmetry-protected BIC”的文章来展示准BIC的形成机制。

结构是由全介质构成的四聚体超表面，如下图所示。当打破结构对称性后会产生一个高Q的准BIC，反射谱上表现为一个尖锐的Fano共振。我们关注第一个共振模式。

图1：四聚体超表面

图2：透射谱以及Fano拟合

第一个共振模式是一个磁偶极子模式，简称MD，文中进行了多级散射展开，MD的分量占主导，从场分布中也可以看到一个明显的磁偶极子模式，如下图所示。

图3：文中共振模式1的多级展开和场分布

图3：周期性边界条件设置

在COMSOL中选择波长域进行仿真，材料设为硅，折射率为3.42。上下添加完美匹配层，x和y方向采用周期性边界条件，如下图所示。并且在上表面添加入射端口，由于文章是TM波入射，因此，电场沿x方向，端口具体设置如下。

图4：建模以及边界条件设置

图5：入射端口设置

在结构上添加积分算子方便进一步计算不同偶极矩对散射能量具体计算公式可参考呢文中补充材料，不同文献公式会略有不同，但大同小异，不影响定性分析。最后计算得到透射谱线和多级散射能量分布。

图6：多级散射能量积分计算

图7：透射谱以及多级散射

来源：320科技工作室

基于连续域束缚态（BIC）的生物传感器仿真复现

基于超表面的先进传感设备已经成为创新无标签生物传感器的革命性平台，有望用于早期诊断和低浓度分析物的检测。在这里，我们对一种基于连续域束缚态的超表面传感器进行复现【WangR,SongL,RuanH,etal.Research,2024,7:0483】，来解决与痕量生化检测中复杂操作相关的挑战。仿真结构如图1所示。为了演示超表面的频谱响应和共振特性，使用CST仿真软件的频域求解器进行了数值计算。在x和y方向上设置Floquet周期条件，在z方向上取开边界条件。激发太赫兹波的TE电场沿y方向模拟沿激发场方向传播的偏振平面波。每个方向的网格尺寸都小于最小构造尺寸，以保证收敛结果的精度。具体设置如图2-4所示。图1仿真结构示意图图2仿真频率区间设置图3仿真边界条件设置图4求解器参数设置通过不断打破结构的对称性，对称保护的BIC线形会逐渐变为Fano线形，而较为低频的本征模式的频率和线宽基本保持不变，因此通过改变参数g2可以实现从准BIC-BIC-准BIC过程的转变，如图5所示。图5改变参数g2的仿真结构。A，论文原图；B，复现图。进一步也对超表面表面电流分布情况进行了仿真，具体结果如图6所示。准BIC共振所对应的超表面相关的表面电荷主要积聚在谐振器的边缘以及较宽的间隙区域，形成了一个电偶极子和磁偶极子的耦合效应，因此在准BIC情况下，会产生Fano线形的新谐振峰。同时，这表明电磁能量集中在谐振器的边缘，意味着与痕量分析物相互作用的可能性更高。图6仿真准BIC时表面电流分布情况。左图为论文结果，右图为复现结果。最后，为了研究所提出的超表面的光学传感性能，采用具有一定厚度的分析物进行模拟。为了涵盖太赫兹传感研究中使用的生物医学材料，我们调节分析物的介电常数对光谱进行分析，如图7所示，来比较准BIC模式和本征模式的传感性能。折射率生物传感器的灵敏度S定义为Δf/Δn，其中Δf是将分析物置于超表面上时的共振频率偏移，Δn表示模拟分析物的折射率。准BIC模式的电磁能量集中在谐振器的边缘，而本征模式的电磁能量位于谐振器中间的连接处（图6）。从图中可以计算得出，本征峰的灵敏度317GHz/RIU，准BIC峰的灵敏度为523GHz/RIU，这进一步说明了准BIC共振相对于本征共振具有更出色的传感能力。图7本征峰与准BIC峰的仿真模拟结果太赫兹超表面生物传感技术因其独特的优势使其在下一代高灵敏、快速、无损生物分子检测技术中占据核心地位，正处于一个充满活力的快速发展期。未来，随着跨学科合作的深入和技术壁垒的不断突破，该技术不仅将深刻变革生物医学检测的面貌，更将在精准医疗、生命科学研究和公共健康安全等领域发挥不可替代的关键作用，开启生物分子检测的新时代。来源：320科技工作室