FDTD在半空间及周期结构问题中的应用

论文题目: FDTD在半空间及周期结构问题中的应用

论文类型: 博士论文

论文专业: 无线电物理

作者: 朱湘琴

导师: 葛德彪

关键词: 时域有限差分方法,微缺陷,缝隙透射,周期结构,单轴各向异性完全匹配层,屏蔽效能,光子晶体板

文献来源: 西安电子科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 在光学和电磁学的实际应用中属于半空间问题或周期结构的问题有很多种。本文应用时域有限差分(FDTD)方法对若干半空间问题和周期结构问题进行了分析。本文先应用在入射波一侧的上半空间总场边界处同时引进入射波和反射波、而在下半空间则引入透射波作为激励源的FDTD方法分析了光学材料表面及亚表面微缺陷附近的电磁场近场分布,同时给出了二维微缺陷的远场分布。采用在入射波一侧的总场边界处同时引进入射波和反射波作为激励源的FDTD方法来分析斜入射时单层和多层有缝金属板电磁波散射及透射问题。通过计算金属板缝隙附近的散射场,提取缝隙口径面上的等效面磁流,进而得到透射截面。本文所述方法可以有效分析平面波斜入射时多层金属板上任意形状缝隙的散射和透射,包括缝隙内或金属板之间填充有介质情形。紧接着介绍FDTD场值更新技术,然后根据双平面波法计算出的全空间中二维问题一维周期结构的近场,给出了两种外推远场的方法:周期Green函数方法及Floquet模方法。两种方法均仅用一个周期单元内的散射近场进行外推。应用FDTD方法计算了单色平面波斜入射时一维介质光栅的近场,进而求出介质光栅的衍射效率。借助于周期边界条件,整个计算区域仅为周期结构的一个单元。考虑入射波在两种介质界面上会产生反射和透射,故在总场边界上引入入射波、反射波和透射波。该方法可用于斜入射情形下具有复杂结构和任意单元截面的介质栅近场及其衍射特性分析。借助于周期边界条件,并用UPML吸收边界对入射波垂直入射时三维问题二维周期结构作FDTD分析。利用散射传递函数,仅用窄脉冲计算一次,即可得到双指数脉冲、快上升沿电磁脉冲(FREMP)等几种较宽或尾巴较长的脉冲入射时具有周期结构的钢筋网和钢筋混凝土的屏蔽效能。用FDTD方法结合UPML吸收边界及介质共形技术分析了光子晶体板状结构的输出效率。由于使用了离散傅立叶变换,故仅用脉冲计算一次,即可得到一个频段上的信息。讨论了介质基底上引入的光子晶体板的折射率、厚度、板上孔的半径及深度对该板状结构的影响。本文的分析对于在(有机电致)发光二极管中引入光子晶体板提高二极管的输出效率具有一定的意义。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 若干半空间问题及周期结构问题的研究概况

1.3 本论文的安排及主要贡献

第二章 材料表面及亚表面微缺陷激光散射的 FDTD 分析

2.1 光学元件表面及亚表面微缺陷模型

2.2 二维微缺陷散射近场模拟

2.2.1 总场边界条件

2.2.2 平面波的加入方式

2.2.3 源的设置

2.2.4 数值模拟

2.3 二维微缺陷远场的模拟

2.3.1 半空间 Green 函数及近-远场外推公式

2.3.2 算例验证及数值模拟

2.4 三维微缺陷附近近场模拟

2.4.1 理论分析

2.4.2 程序验证

2.4.3 模拟算例

2.5 本章小结

第三章 分层金属板上槽缝散射及透射的 FDTD 计算

3.1 有缝隙金属板的散射及透射分析

3.2 FDTD 方法分析

3.3 数值结果及讨论

3.4 本章小结

第四章 场值更新技术及自由空间中二维问题一维周期结构的 FDTD 分析

4.1 FDTD 更新技术

4.1.1 单个正(余)弦波入射情形

4.1.2 正弦波和余弦波分别进行两次入射的情形

4.1.3 验证算例

4.2 全空间中一维周期结构的近场计算

4.2.1 Floquet 定理

4.2.2 周期结构中 FDTD 计算区域的划分

4.2.3 双平面波法

4.2.4 算例验证

4.3 全空间中一维周期结构散射的近-远场外推

4.3.1 周期 Green 函数

4.3.2 周期 Green 函数的特性验证

4.3.3 近—远场外推的周期 Green 函数方法

4.3.4 近—远场外推的 Floquet 模方法

4.3.5 算例

4.4 一维金属光栅散射计算的全域基方法(矩量法)

4.4.1 方法介绍

4.4.2 级数求和时截断项的考虑

4.4.3 算例分析

4.5 本章小结

第五章 一维介质光栅近场及其衍射的 FDTD 分析

5.1 一维介质栅近场计算

5.1.1 FDTD 递推公式及总场边界

5.1.2 周期边界条件及吸收边界条件

5.1.3 提取近场幅值和相位时 T_(init) 的选取

5.1.4 算例

5.2 一维介质光栅的衍射分析

5.2.1 介质栅中 Floquet 定理及复电场的展开

5.2.2 分层介质中Floquet 模的物理意义

5.2.3 从 FDTD 数据提取A_n 和B_n

5.2.4 归一化平均传输功率的计算公式

5.2.5 零阶模归一化反射功率P_0~r 的计算

5.2.6 算例

5.3 本章小结

第六章 二维周期结构近场及钢筋混凝土屏蔽效能的计算

6.1 二维周期结构的近场分析及算例验证

6.1.1 周期边界的设置

6.1.2 UPML 吸收边界的设置

6.1.3 总场边界的设置

6.1.4 二维周期结构的验证性算例

6.2 钢筋混凝土屏蔽效能的计算

6.2.1 散射传递函数法

6.2.2 屏蔽效能定义

6.2.3 双指数脉冲入射到单层钢筋混凝土屏蔽层

6.2.4 FREMP 波、HEMP 波入射到双层钢筋混凝土屏蔽层

6.3 本章小结

第七章 二维光子晶体板状结构输出效率的研究

7.1 引言

7.2 单个光子晶体板输出效率的计算

7.2.1 计算模型

7.2.2 UPML 吸收边界

7.2.3 网格剖分中的介质共形技术

7.2.4 离散傅立叶变换

7.2.5 单个光子晶体板输出效率的分析计算

7.3 光子晶体板状结构输出效率的研究

7.3.1 光子晶体板状结构模型

7.3.2 计算分析

7.4 本章小结

结束语

致谢

参考文献

作者在攻读博士学位期间完成的论文和研究报告

发布时间: 2007-01-10

参考文献

• [1].表面等离子体激元在周期结构中的能带及传播性质[D]. 韩德专.复旦大学2006
• [2].周期结构成像理论及其应用研究[D]. 张成义.南京理工大学2007
• [3].左手介质周期结构散射特性的研究[D]. 方维海.中国科学技术大学2009
• [4].三光束飞秒激光干涉在半导体表面诱导复合微/纳米周期结构及其光学特性研究[D]. 熊平新.华东师范大学2012
• [5].多层平面周期结构的电磁特性研究[D]. 张建成.西安电子科技大学2009
• [6].光在柱状和球状周期结构中的传播及散射[D]. 谢环.中国科学技术大学2010
• [7].微波平面周期结构及其应用研究[D]. 彭麟.电子科技大学2013
• [8].亚波长金属周期结构的负折射和局域场增强效应的研究[D]. 丁佩.郑州大学2009
• [9].嵌套复式周期光子晶体结构的带隙模拟及制备方法研究[D]. 韩喻.国防科学技术大学2007
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• [4].电磁场时域有限差分数值方法的研究[D]. 杨阳.南京理工大学2005
• [5].光波导器件的高阶FDTD并行仿真分析[D]. 李康.山东大学2006
• [6].纳米尺度周期性金属结构异常光传输现象的FDTD数值分析[D]. 付勇.山东大学2008

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