任意色散周期结构的时域有限差分方法分析

利用辅助微分时域有限差分法求解了任意色散周期模型的电磁波传播问题。利用共轭复数对形式对任意色散媒质进行参数拟合,并将任意色散媒质的介电常数表示成公式形式,在FDTD迭代式中引入辅助微分方程,推导出了适用于多层任意色散模型的通用递推公式,分别求解了Debye、Drude与太阳能电池周期结构模型的电磁特性仿真问题。仿真结果表明:数值计算结果与CST商业软件仿真结果基本吻合,证明了所构建方法的有效性与普适性。     

含色散与非线性媒质的光子晶体的简正耦合模

利用传输矩阵方法及对色散媒质采用洛伦兹振子模型，研究了一维含色散媒质的光子晶体的简正耦合模，并计算了该结构的复有效折射率。在光学双稳态中，与仅含非线性媒质的光子晶体相比，得到了低得多的阈值入射光强。     

光脉冲传输模拟的快速数值差分递推算法及其应用研究

利用零邻域的马克劳林展开对归一化非线性薛定谔方程的频域差分形式进行分析，得出一个能够同时考虑光学媒质的色散作用以及非线性克尔作用的时域快速数值差分递推公式.选取若干算例，将运用该公式的数值计算结果与已知的解析结果和传统分步傅里叶方法所得的计算结果做了相应的比较，结果表明这种快速数值差分递推公式不但拥有相当快的计算速度，也有很高的计算精度，而且在物理上符合光脉冲在光学媒质中传输时色散和非线性作用同时施加影响的客观实际，这说明它是研究非线性光学媒质中光脉冲传输的一种科学、合理而快速有效的数值计算方法. 关键词： 快速数值差分递推公式 零邻域马克劳林展开 非线性薛定谔方程 光脉冲传输     

第十七章 光的本性

第十七章光的本性练习一光的波动性光的色散电磁波谱一．判断题１．光是横波，光具有波动、粒子二象性。（）２．任何一种单色光在不同媒质中传播时，其频率相同，折射率不同。（）３．无线电波的干涉、衍射现象比可见光的干涉、衍射现象更容易被观察到。（）４．水面上薄...     

时域有限差分法中电磁场的吸收边界条件

吸收边界条件在时域有限差分法计算电磁场中有着广泛的应用,从吸收边界所要满足的条件出发,将Lindman吸收边界条件推广,得到了便于计算的简化形式.两维数值模拟结果表明:以各种角度向左或右传播的p极化和s极化电磁波在边界面上的反射率均低于0.5%.     

纤维增强复合媒质中的超声散射

为了用超声方法评价纤维增强复合媒质中纤维／母材的界面特性，本文建立了三层柱状固体媒质声散射截面积和纤维增强复合媒质中声衰减的计算方法。当纤维／母材界面层厚度与波长相比很小时，用两个劲度常数描述纤维与母材之间力学量的边界条件，得到了计算纤维增强媒质中声衰减的简化模型。本文还从数值上计算了纤维／铝复合媒质中超声纵波衰减与界面特性、超声频率的关系。     

各向异性磁化等离子体涂敷三维导体目标FDTD分析

把电流密度卷积-时域有限差分法(JEC-FDTD)推广应用于三维各向异性色散介质——磁化等离子体中，该算法同时解决了电磁波在各向异性和频率色散介质中传播的难题，给出了各向异性磁化等离子体中JEC-FDTD迭代公式.计算了各向异性磁化等离子体涂敷二面角反射器和球锥体后其RCS的变化情况，分析了电子回旋频率对其RCS的影响.计算结果表明磁化等离子体吸收性能更好. 关键词： 时域有限差分方法 各向异性磁化等离子体     

各向异性磁化等离子体JEC-FDTD算法

将色散介质的电流密度卷积-时域有限差分(JEC-FDTD)算法推广到各向异性磁化等离子体色散介质.该算法同时解决了电磁波在各向异性和频率色散介质中传播的难题，给出了各向异性磁化等离子体JEC-FDTD算法的公式.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，通过与解析结果的比较，验证了该算法的高效性和高精度. 关键词： 色散介质 FDTD算法 各向异性 磁化等离子体     

光子晶体中缺陷的色散导致的群速度降低

利用传输矩阵方法计算了包含色散媒质缺陷的一维光子晶体的复透射系数，其中色散媒质用洛仑兹振子模型描述。计算了由复透射系数定义的等效复折射率并由此研究了频谱位于缺陷模频率附近的光脉冲的群速度。结果发现，由于缺陷模附近的透射谱敏感地依赖于缺陷层的光学厚度，而缺陷层的色散使缺陷层光学厚度随频率变化而改变，从而使包含缺陷的光子晶体的等效色散性质明显地依赖于缺陷的色散行为。由于光脉冲是由多种频率成分的单色场迭加构成的，透射脉冲由各单色场透射后重新迭加构成，因此波包的传播由介质的等效色散性质决定。与包含无色散缺陷的光子晶体相比，缺陷的色散可导致极慢的群速度。通过改变振子强度，群速度可从极慢光速转变为超光速(superluminal)。     

金属平板覆盖负折射率媒质的电磁波反射系数的PLRC-FDTD分析

 推导了负折射率媒质中的FDTD分段线性递归卷积(PLRC)计算式,并将PLRC-FDTD方法用于仿真电磁波与负折射率媒质的相互作用, 计算了金属平板覆盖负折射率媒质层对垂直入射电磁波的反射系数。数值结果表明：负折射率媒质包层可以极大地减少目标的电磁回波能量,碰撞频率越大,振荡频率越小,其吸波性能越好;负折射率媒质碰撞频率、振荡频率及其分布形式是影响反射系数的重要因素。     

一种适用于任意阶空间差分时域有限差分方法的色散介质通用吸收边界条件算法

基于伸展坐标完全匹配层方程和辅助微分方程 方法, 给出了一种在时域有限差分(FDTD) 计算中适用于常见色散介质的通用边界条件算法. 该算法适用于任意阶的FDTD空间差分, 并且由于所采用的D-H方程独立于计算区域, 所以可以被用于截断任意电介质. 数值试验结果表明, 与卷积完全匹配层 算法相比较, 所提出的吸收边界条件算法不仅通用性强、 计算复杂度低、 计算时间短, 并且吸收效果有明显的提高.     

探地雷达数值模拟中广义完全匹配层吸收边界条件的模拟分析

探讨探地雷达正演模拟中,应用广义完全匹配层(GPML)吸收边界条件时的模拟效果.利用时域有限差分(FDTD)法将麦克斯韦方程离散化,再采用Mur超吸收边界条件和GPML吸收边界条件吸收向外的电磁波,模拟充水岩溶的雷达图像;同时,采用GPML吸收边界条件模拟多个圆柱体异常模型和倾斜界面异常模型的探地雷达剖面图像.对模拟结果的分析可知,GPML吸收边界条件可有效地吸收向外的电磁波,其吸收效果优于Mur超吸收边界条件,在探地雷达的应用中可推广应用.     

Complex Envelope Crank-Nicolson Nearly PML Algorithm for the Left-handed Material FDTD Simulations

Unconditionally stable complex envelope (CE) absorbing boundary conditions (ABCs) are presented for truncating left handed material (LHM) domains. The proposed algorithm is based on incorporating the Crank Nicolson (CN) scheme into the CE finite difference time domain (FDTD) implementations of the nearly perfectly matched layer (NPML) formulations. The validity of the formulations is shown through numerical example carried out in one dimensional Lorentzian type LHM FDTD domain.     

Absorbing boundary conditions for the Euler and Navier–Stokes equations with the spectral difference method

Two absorbing boundary conditions, the absorbing sponge zone and the perfectly matched layer, are developed and implemented for the spectral difference method discretizing the Euler and Navier–Stokes equations on unstructured grids. The performance of both boundary conditions is evaluated and compared with the characteristic boundary condition for a variety of benchmark problems including vortex and acoustic wave propagations. The applications of the perfectly matched layer technique in the numerical simulations of unsteady problems with complex geometries are also presented to demonstrate its capability.     

Unconditionally Stable Complex Envelope Wave Equation PML Algorithm for Band Limited FDTD Simulations

Unconditionally stable complex envelope (CE) perfectly matched layer (PML) absorbing boundary conditions (ABCs) are presented for truncating the scalar wave-equation finite difference time domain (WE-FDTD) grids. The formulations are based on incorporating the alternating direction implicit (ADI) scheme into the CE FDTD implementations of the scalar wave-equation derived in the PML region at the domain boundaries. Numerical example carried out in two dimensional domain shows that the proposed formulations are more accurate than the classical ADI scalar wave equation PML formulations when it is used for modelling band limited electromagnetic applications.     

孔隙介质与液体界面上波动方程数值模拟的改进 方案——MPML边界条件的应用*

由于波场数值模拟的计算区域是有限的,为了压制截断边界造成的人工边界反射,通常采用完全匹配层作为吸收边界条件。但是在含液-固界面的弹性介质中进行正演模拟时,完全匹配层边界条件容易造成稳定性方面的问题。因此,该文将多轴完全匹配层应用于该类介质的正演模拟,以改善完全匹配层边界条件引起的不稳定问题。通过在具有弹性海底的海洋环境模型以及充填液体的井孔模型中进行弹性波方程的正演模拟,分别采用传统的完全匹配层和多轴完全匹配层作为吸收边界条件,对比验证了多轴完全匹配层在含液-固界面弹性介质中数值模拟的有效性和稳定性。     

截断磁等离子体三维M-NPML吸收边界条件

研究三维截断磁化等离子体介质新型完全匹配层(NPML)吸收边界条件(ABC),提出应用于截断色散介质修正的M-NPML,该方法根据NPML坐标变换原理,对麦克斯韦方程中对空间偏导的变量进行坐标拉伸,得到在NPML吸收边界中修正的麦克斯韦方程组.该吸收边界只把对空间偏导的变量进行坐标拉伸,操作简单,避免了PML方法在截断普通介质时采用复杂的场分裂形式,同时比单轴各向异性完全匹配层(UPML)吸收边界截断磁化等离子体介质更加简单,编程复杂度大大降低.算例仿真结果与解析解相符,证实了该算法的有效性.     

FDTD方法分析高功率微波粗糙地面散射特性

采用时域有限差分方法(FDTD)对高功率微波(HPM)近地面传输进行了仿真,其中提出的一种完全匹配层-广义完全匹配层混合吸收边界,较好地抑制了常规FDTD方法在计算低掠射角入射时产生的边缘绕射现象。将理想水平地面数值计算结果与解析法结果对比验证计算模型的正确性,通过数值计算结果分析高功率微波粗糙地面的散射特性。理论分析和仿真结果表明:粗糙地面对散射系数变化影响较明显,从宏观角度上看,散射系数曲线同理想水平地面散射系数曲线相似,即随掠射角的增大散射系数先减小后增大;从微观角度上看,由于粗糙地面的作用,其散射系数曲线并不存在布鲁斯特角,且在某一区域并非单调增加或减小。     

有耗介质完全匹配层在时域多分辨分析中的应用

 对无耗和有耗介质中的完全匹配问题进行了研究,将广义完全匹配吸收层(GPML)应用到时域多分辨分析（MRTD）中。GPML是在扩展坐标系下由Maxwell方程得到的,在MRTD中实现对GPML的求解,并在频域对GPML进行了有效性分析,得出了GPML在不同空间步长和不同吸收层厚度情况下入射波由真空入射到吸收层的反射系数在频域的分布,并给出了有耗介质中GPML吸收效果的例子。结果表明,GPML的反射系数在一定频率范围内小于-40 dB,且随着计算空间步长的减小和吸收层厚度的增加而减小。GPML既可以用来截断无耗介质也可以用来截断有耗介质,为时域多分辨分析方法提供了一种较为通用的吸收边界。     

卷积完全匹配层截断3维金属矩形波导的应用研究

 讨论了高功率微波源模拟中波导开放边界截断的需求,分析了不同类型完全匹配层(PML)的特点,选用卷积形式PML截断色散波导器件的开放边界。从自由空间电磁波的平面波解和分裂形式的PML出发,构造了未分裂形式的PML,用傅里叶变换的卷积定理,导出了直角坐标系下卷积完全匹配层(CPML)介质中电磁场的迭代形式的离散方程。在不同频率和模式激励源作用下,模拟计算了CPML截断矩形波导开放边界的性能,数值结果表明最大相对误差都小于-70 dB,远好于Mur吸收边界的截断效果。