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COMSOL 重现基于 THz 超构表面 BIC

news 2026/5/12 8:23:05

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 GHz（300e9Hz），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。