基于二维频域有限差分方法的传输和散射研究

论文摘要

随着计算电磁学的发展,频域有限差分方法（Finite-Difference Finite-Domain Method,FDFD）作为一种传统的频域数值方法备受关注。在所有的电磁场数值方法中,FDFD方法应该是最容易理解的方法。在处理谐振问题、求解单频点问题、处理色散媒质问题、处理周期结构斜入射问题上有很大优势。由于矩阵求解的复杂度,目前普遍研究二维FDFD方法。本文主要进行了基于二维FDFD方法的传输和散射研究。通过简单介绍有限差分法的基本理论来推导出二维FDFD方程的矩阵形式,简单研究了双脊金属矩形波导的模式特性问题来验证有限差分法的可行性。在推导出二维FDFD方程的矩阵形式后,进一步进行了基于二维FDFD方法的传输和散射研究。传输研究主要包括通过二维FDFD方法仿真点源和平面波源的传播情况以及对双层金属线栅宽带偏振器的反射率和透射率的仿真。散射研究主要讨论金属圆柱和金属扇形圆柱在总场/散射场平面波源激励下的空间场强分布情况。论文的主要工作有:1.认真了解了有限差分方法的基础理论,充分调研了FDFD方法的研究现状,阐明了FDFD方法在求解特殊电磁问题下凸显的算法优势。2.为了验证有限差分法的可行性,研究双脊金属矩形波导的模式特性问题,绘制波导主模、一阶高次模、二阶高次模的色散特性曲线。将频域的麦克斯韦方程组和完美匹配层吸收边界条件进行耦合,推导出最终的二维频域有限差分方程矩阵形式。3.基于二维的FDFD方法对点源和平面波源的传播情况进行研究,进一步对金属圆柱和金属扇形圆柱在总场/散射场平面波源激励下的空间场强分布情况进行仿真讨论。4.进一步进行了基于二维FDFD方法的传输研究,设计一种双层金属线栅宽带偏振器。主要研究三种周期光栅（40nm、80nm、160nm）在TM波入射双层金属线栅宽带偏振器传输后的光学反射率和透射率,同时考虑到TM波的垂直入射和斜入射两种情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 FDFD算法的发展历程及研究现状
•   1.3 主要研究内容与章节安排
• 第二章 频域有限差分方法
•   2.1 有限差分法的基本理论
•   2.2 数值算例
•   2.3 频域有限差分法的基本理论
•     2.3.1 光学结构离散网格的表示
•     2.3.2 麦克斯韦方程组及其频域形式
•     2.3.3 FDFD基本方程
•     2.3.4 完全匹配层吸收边界条件
•     2.3.5 FDFD方程矩阵形式
•     2.3.6 激励源的合并
•   2.4 本章小结
• 第三章 源的传播与结构散射的研究
•   3.1 引言
•   3.2 源的传播的二维场可视化
•     3.2.1 点源的传播
•     3.2.2 平面波源的传播
•   3.3 结构散射的二维场可视化
•     3.3.1 金属圆柱体的散射
•     3.3.2 金属扇形圆柱体的散射
•   3.4 本章小结
• 第四章 双层金属线栅宽带偏振器的仿真
•   4.1 引言
•   4.2 双层金属线栅偏振器的基本理论
•     4.2.1 简单金属线栅偏振器的结构
•     4.2.2 双层金属线栅偏振器的结构
•     4.2.3 双层金属线栅偏振器的光学特性
•   4.3 周期结构的衍射
•   4.4 双层金属线栅宽带偏振器的反射率和透射率研究
•     4.4.1 垂直入射下的反射率和透射率研究
•     4.4.2 斜入射下的反射率和透射率研究
•   4.5 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴刚

导师: 黄志祥

关键词: 频域有限差分方法,传输,散射,反射率,透射率

来源: 安徽大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 数学,物理学

单位: 安徽大学

分类号: O441;O241.3

总页数: 61

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