时域有限差分方法FDTD.PPT

时域有限差分方法(FDTD) 在光吸收方面的应用 材料科学与工程学院 张岩 1014208038 郑文静 1014208040 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 目录 数学模型 背景介绍 结论 数值计算 实际问题 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 背景介绍-光吸收问题 成像、照明、生物光子学、光伏等 环境污染 能源危机 环境治理，新能源开发 光降解等，太阳能利用问题 光吸收问题 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 数学模型-Maxwell旋度方程 空间中的麦克斯韦旋度方程为 其中，D 、 E分别是电通量密度和电场强度；B 、 H分别是磁通量密度和磁场强度； 而J 、Jm 则分别是电流密度和磁流密度。 宏观电磁学的理论基础-麦克斯韦方程，对其差分形式中的旋度方程进行离散处理，便能得出 FDTD 方法中电磁场的关系式。 其中，ε 为介电常数；μ为磁导系数；而σ 、 σm分别为电导率和磁导率。 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 离散化-Yee氏网格 Yee 氏元胞结构图 令函数f ( x , y , z ,t )表示电场 E 或磁场H 的某一个分量，那么它在时间域和空间域的离散公式为： 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 一阶中心差分 一阶差分就是离散函数中连续相邻两项之差。 中心差分法 U’(t) = [ U (t + h/2) – U ( t - h/2) ] / h 差分法是对微分方程的离散化。是其递推关系式。 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 离散化结果 对时间和空间的偏微分用一阶中心差分进行近似 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 FDTD公式 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 FDTD公式 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 FDTD方法小结 最大优点在于它不受介质结构或形状的影响，可通过调整Yee元胞的数量及尺寸来精确模拟任意结构和形状的电磁材料与电磁场的相互作用过程，它在分析复杂形状目标和非均匀介质物体的电磁散射、辐射问题时非常方便。 基本原理是对电磁场中的电矢量及磁矢量分量在空间和时间上采取交替抽样的离散方式，每个电场强度分量周围有四个磁场强度分量环绕，每个磁场强度分量周围有四个电场强度分量环绕，应用这种离散方式将含时间变量的Maxwell旋度方程转化成一组差分方程，并在时间轴上逐步推进地求解空间电磁场。 时域有限差分方法 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 实际问题1 不同尺寸的单分散Cd纳米颗粒的吸收 1.吸收机制主要有两种：带间跃迁和局域表面等离子共振吸收 解决问题 2.模拟尺寸对吸光峰位等的影响 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 实际问题1 首先输入Cd从122nm至800nm波长范围内的折射率作为基本参数，并建立相关尺寸的Cd纳米球。 Yee网格尺寸为0.5nm×0.5nm×0.5nm， 光源为总场散场源， 边界条件采用了完全匹配层（PML）吸收边界 FDTD模拟不同各尺寸下单个Cd纳米颗粒的吸收截面和消光截面 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 实际问题1 实验结果与计算模拟对比 更大尺寸Cd纳米颗粒的FDTD数值仿真 1.单分散Cd纳米颗粒，粒径小于20nm时，在280nm的深紫外区域具有强烈的表面等离子共振吸收。不同粒径吸收强度不同，粒径越大，吸收越强。与实验值吻合。 2、通过FDTD对较大粒径单个Cd纳米颗粒对光的吸收情况进行了模拟，其吸收峰会随着粒径增大发生红移。可以指导应用，同时为其他物相吸收的模拟提供方法。 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 实际问题2 首先建立如图所示的三种不同结构的模型，350nm-700nm的折射率和消光系数从文献中获得作为参数输入。边界条件为周期性完全匹配层（PML）。 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 实际问题2 在模型边界上设置多个2维能量窗口监测流入和流出的能量，从而得到最终的光吸收模拟数据 电场分布的模拟是通过计算单位体积电场强度实现的 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 点击添加文本 结论 1.通过数值分析得到的FDTD结果能够与实际结果想吻合，说明求解过程的误差在允许范围内的。可以用于解决实际问题。 2.通过FDTD对不同粒径和结构的预测，发现其对于不同粒径和结构的光吸收情况具有很好的预测性，为不同结构设计的吸光情况提供了依据，提高了实验效率。 谢谢！