高阶辛算法的稳定性与数值色散性分析

利用Maxwell方程的哈密尔顿函数,导出对应的欧拉-哈密尔顿方程.利用辛积分技术与高阶交错差分技术,建立求解三维时域Maxwell方程的高阶辛算法;结合电磁场中的物理概念,借助矩阵分析和张量分析理论,获得高阶时域方法及高阶辛算法的稳定性和数值色散性的统一处理新方法.用数值结果证实方法的正确性,与FDTD算法和其它时域高阶方法相比,高阶辛算法具有较大的计算优势,为电磁计算提供了新的途径.     

高阶辛算法在典型量子器件模拟中的应用

利用辛积分和高阶交错差分方法建立了求解含时薛定谔方程的高阶辛算法(SFDTD(4,4)).对空间部分的二阶导数采用四阶准确度的差分格式离散得到随时间演化的多维系统再引入四阶辛积分格式离散;探讨了SFDTD(4,4)法的稳定性,获得了含时薛定谔方程的一维以及多维的稳定性条件,并得到在含势能情况下该稳定性条件的具体表达式;借助复坐标沿伸概念,实现了SFDTD(4,4)法在量子器件模拟中的完全匹配层吸收边界条件.结合一维量子阱和金属场效应管传输的仿真,结果表明较传统的时域有限差分算法,SFDTD(4,4)有着更好的计算准确度,适用于长时间仿真.算法及相关结果可为实际量子器件的设计提供必要的参考.     

含时Schrdinger方程的高阶辛FDTD算法研究

提出了一种新的算法—高阶辛时域有限差分法(SFDTD(3,4):symplectic finite-difference time-domain)求解含时薛定谔方程.在时间上采用三阶辛积分格式离散,空间上采用四阶精度的同位差分格式离散,建立了求解含时薛定谔方程的高阶离散辛框架;探讨了高阶辛算法的稳定性及数值色散性.通过理论上的分析及数值算例表明:当空间采用高阶同位差分格式时,辛积分可提高算法的稳定度;SFDTD(3,4)法和FDTD(2,4)法较传统的FDTD(2,2)法数值色散性明显改善.对二维量子阱和谐振子的仿真结果表明:SFDTD(3,4)法较传统的FDTD(2,2)法及高阶FDTD(2,4)法有着更好的计算精度和收敛性,且SFDTD(3,4)法能够保持量子系统的能量守恒,适用于长时间仿真.     

含时Schrödinger方程的高阶辛FDTD算法研究

提出了一种新的算法——高阶辛时域有限差分法(SFDTD(3, 4): symplectic finite-difference time-domain)求解含时薛定谔方程.在时间上采用三阶辛积分格式离散, 空间上采用四阶精度的同位差分格式离散, 建立了求解含时薛定谔方程的高阶离散辛框架;探讨了高阶辛算法的稳定性及数值色散性.通过理论上的分析及数值算例表明:当空间采用高阶同位差分格式时, 辛积分可提高算法的稳定度;SFDTD(3, 4)法和FDTD(2, 4)法较传统的FDTD(2, 2)法数值色散性明显改善.对二维量子阱和谐振子的仿真结果表明: SFDTD(3, 4)法较传统的FDTD(2, 2)法及高阶FDTD(2, 4)法有着更好的计算精度和收敛性, 且SFDTD(3, 4)法能够保持量子系统的能量守恒, 适用于长时间仿真.     

含时Schroedinger方程的高阶辛FDTD算法研究

提出了一种新的算法一高阶辛时域有限差分法（SFDTD（3,4）：symplectic finite—difference time-domain）求解含时薛定谔方程．在时间上采用三阶辛积分格式离散,空间上采用四阶精度的同位差分格式离散,建立了求解含时薛定谔方程的高阶离散辛框架;探讨了高阶辛算法的稳定性及数值色散性．通过理论上的分析及数值算例表明：当空间采用高阶同位差分格式时,辛积分可提高算法的稳定度;SFDTD（3,4）法和FDTD（2,4）法较传统的FDTD（2,2）法数值色散性明显改善．对二维量子阱和谐振子的仿真结果表明：SFDTD（3,4）法较传统的FDTD（2,2）法及高阶FDTD（2,4）法有着更好的计算精度和收敛性,且SFDTD（3,4）法能够保持量子系统的能量守恒,适用于长时间仿真．     

双色散模型的辛时域有限差分算法

结合有耗的Drude-Lorentz色散模型,提出了处理双色散模型的辛时域有限差分算法.基于矩阵分裂,辛传播算子和辅助差分方程技术,结合严格而巧妙的公式推导,构建了算法框架,并给出了详细的公式推导过程.为了验证本文算法的有效性和精确性,首先计算了一维空间双色散平板的透射系数,并与解析解对比,结果较好地符合,证明了该算法是有效而精确的.然后计算了三维空间中有实际意义的银分裂环,金属银的介电参数由Drude模型拟合.计算了该结构的透射系数,反射系数和吸收系数,得到了银分裂环的谐振频率和吸收频率,为实际实验结果提供了可供参考的计算结果.     

基于辛Runge-Kutta-Nystrom方法的雷达散射截面计算

从基本的差分概念和Maxwell方程出发, 引入电磁场方程的Hamilton函数.提出一种基于Runge-Kutta-Nystrom辛算法的高阶时域有限差分方法，该方法保持了系统的相空间体积不变和总能量不变，并导出了迭代公式.在此基础上计算了一种金属圆柱的雷达散射截面.计算结果表明该方法的正确性及快速、精确的特性. 关键词： 雷达散射截面 高阶算法 辛Runge-Kutta-Nystrom方法 时域有限差分     

基于半解析递归卷积的通用色散介质FDTD方法

基于数字信号处理中的半解析递归卷积（SARC）算法，提出了一种用于色散介质电磁特性分析的半解析递归卷积时域有限差分方法（SARC FDTD）. 该方法既保持了FDTD方法处理复杂目标的灵活性，又吸取了线性系统SARC算法的绝对稳定性和高精度、低内存、高效率等优点，只需给出色散介质模型的极点和对应系数，即可运用SARC FDTD递推公式和通用程序进行计算，具有较好的通用性. 通过Debye，Drude和Lorentz三种常用色散介质模型对算法进行了验证. 关键词： 时域有限差分 色散介质 半解析递归卷积     

各向异性磁等离子体的辅助方程FDTD算法

通过对辅助方程的差分迭代，给出了一种新的各向异性磁化等离子体的辅助方程时域有限差分(FDTD)算法.并与电流密度卷积(JEC)算法进行了比较.通过计算磁化等离子体平板对平行于磁场传播的电磁波的反射和透射系数，验证了该算法的精度与JEC算法基本相同，而计算效率提高数倍. 关键词： 色散介质 时域有限差分算法 各向异性 磁化等离子体     

一种处理色散介质问题的通用时域有限差分方法

色散介质的介电系数是频率的函数，使本构关系在时域成为卷积关系.这就给用时域有限差分方法计算色散介质中波的散射和传播带来了困难.现有算法往往要针对不同色散介质模型推导相应的递推公式，算法的通用性较差.本文完善和发展了移位算子-时域有限差分方法，使之成为一种处理色散介质电磁问题的通用方法.首先，证明了常见的三种色散介质模型(德拜模型、洛伦兹模型和德鲁模型)的介电系数均可以写成适于移位算子法计算的有理分式函数形式.然后，用/t代替jω，过渡到时域，再引入时域移位算子z_t代替时间微分算子来处理有理分式函数形式的介电系数，给出离散时域本构关系的表示式，进而导出时域有限差分方法当中电位移矢量和电场强度之间的关系.最后，计算了几种色散介质的电磁散射，数值结果表明了本文方法和程序的通用性和正确有效性. 关键词： 时域有限差分方法 色散介质 移位算子     

Plasma photonic crystals numerical and filter characteristics analysis based on symplectic algorithm

From the Maxwell equation, the method of symplectic finite-difference time-domain is applied in analyzing one-dimensional plasma photonic crystal. The propagation process of electromagnetic pulse in one-dimensional vacuum plasma photonic crystal structure is simulated by symplectic algorithm discrete in 2nd order time 2nd order space (T2S2), and 2nd order time 4th order space (T2S4) respectively. Then, from the perspective of frequency domain, the reflection coefficient of the plasma–vacuum photonic crystals is analyzed. The results show that the symplectic finite-difference time-domain method is accuracy and correctness. In the end, the filter characteristics of the plasma photonic crystals (PPCs) are analyzed in different thickness of plasma.     

一种基于波动方程的新高阶FDTD方法

 提出了一种基于二阶波动方程的（2M,4）高阶时域有限差分(FDTD)方法，通过使用辛积分传播子(SIP)在时域上获得4阶精度，使用离散奇异卷积(DSC)方法在空域上达到2M阶精度。与已有的(2M，4) 阶FDTD方法相比，虽然两者都采用SIP和DSC方法，但是此二者的不同点在于：第一，新方法基于二阶波动方程；第二，在离散计算空间时使用单一网格而不是传统的Yee网格；第三，单独计算某一场分量从而节约内存并减少计算量。数值计算结果表明，与传统高阶算法相比，基于波动方程的高阶FDTD方法耗费的机时只有它的50%,内存消耗下降10%, 而两者的计算结果之间相对误差小于5‰。     

A discrete action principle for electrodynamics and the construction of explicit symplectic integrators for linear,non-dispersive media

In this work, we derive a discrete action principle for electrodynamics that can be used to construct explicit symplectic integrators for Maxwell’s equations. Different integrators are constructed depending on the choice of discrete Lagrangian used to approximate the action. By combining discrete Lagrangians in an explicit symplectic partitioned Runge–Kutta method, an integrator capable of achieving any order of accuracy is obtained. Using the von Neumann stability analysis, we show that the integrators greatly increase the numerical stability and reduce the numerical dispersion compared to other methods. For practical purposes, we demonstrate how to implement the integrators using many features of the finite-difference time-domain method. However, our approach is also applicable to other spatial discretizations, such as those used in finite element methods. Using this implementation, numerical examples are presented that demonstrate the ability of the integrators to efficiently reduce and maintain a minimal amount of numerical dispersion, particularly when the time-step is less than the stability limit. The integrators are therefore advantageous for modeling large, inhomogeneous computational domains.     

辛几何算法在计算非磁化等离子体中波传播轨迹时的应用

为了在数值计算中保持哈密顿系统的辛几何结构不变，利用辛几何算法得到了在线性哈密顿系统中射线追踪方程的一般辛差分格式。通过具体算例，利用辛几何算法计算了波在非磁化等离子体中的传播轨迹，并且与传统Runge-Kutta-Fehlberg算法所得结果进行了比较。利用辛几何算法所得传播轨迹与解析解一致，其色散函数值的误差随时间线性增长，能在长时间内保持色散函数值在一个很小的误差范围内。利用传统的Runge-Kutta-Fehlberg算法所得传播轨迹与解析解不一致，其误差随时间做大幅振荡增加。计算结果表明辛几何算法在保持传播轨迹和色散函数值方面具有独特的优势。     

Perfect plane-wave source for a high-order symplectic finite-difference time-domain scheme

The method of splitting a plane-wave finite-difference time-domain (SP-FDTD) algorithm is presented for the initiation of plane-wave source in the total-field / scattered-field (TF/SF) formulation of high-order symplectic finite-difference time-domain (SFDTD) scheme for the first time. By splitting the fields on one-dimensional grid and using the nature of numerical plane-wave in finite-difference time-domain (FDTD), the identical dispersion relation can be obtained and proved between the one-dimensional and three-dimensional grids. An efficient plane-wave source is simulated on one-dimensional grid and a perfect match can be achieved for a plane-wave propagating at any angle forming an integer grid cell ratio. Numerical simulations show that the method is valid for SFDTD and the residual field in SF region is shrinked down to -300 dB.     

Analysis of numerical dispersion properties of SFDTD and MRTD schemes

In this paper, the Maxwell's equations are written as Hamilton canonical equations by using Hamilton functional variation method. Maxwell's equations can be discretized with symplectic propagation technique combined with high-order difference schemes approximations to construct symplectic finite difference time domain (SFDTD) method. The high-order dispersion equations of the scheme for space is deduced. The numerical dispersion analysis is included, and it is compared with the multiresolution time-domain (MRTD) method based on the Daubechies scaling functions. Numerical results show high efficiency and accuracy of the SFDTD method.     

二维各向异性磁等离子体的无条件稳定ADE-CNAD-FDTD算法

针对二维各向异性磁等离子体提出一种有效的无条件稳定算法，新算法结合了辅助微分方程(ADE)方法与Crank-Nicolson approximate-decoupling(CNAD)时域有限差分算法仿真各向异性磁等离子体介质。传统的ADE-FDTD方法应用在一维各向异性色散介质具有较高的精度和效率，将提出的新算法ADE-CNAD-FDTD应用到二维各向异性磁等离子体介质中不仅解决了电磁波在具有各向异性和频率色散特性介质中传播的仿真难题，而且去除了CFL稳定性条件。该算法在保留了原有的精度情况下大幅度地提高了计算效率并成为无条件稳定的形式。给出一个算例证明该算法的有效性，通过模拟电磁波在磁等离子体中的传播，仿真结果与传统的ADE-FDTD算法对比，证实了该算法的高效率、无条件稳定性和高精度。