FDTD計算電動力學中的新進展:光子學與納米技術
作 者: [美]艾倫·泰福勒（AllenTaflove）[美]阿爾達凡·奧斯庫奧依（ArdavanOskooi）[美]斯蒂芬·G.約翰松（StevenG.Johnson） 著 劉佳琪 張生俊 王明亮 薛 暉 艾 夏 莫錦軍 譯
定 價: 168
出?版?社: 清華大學出版社
出版日期: 2019年07月01日
頁 數: 0
裝 幀: 簡裝
ISBN: 9787302507963
●章三維交錯網格局域傅裡葉基PSTD並行處理技術 1.1引言 1.2動機 1.3局域傅裡葉基與重疊區域分解 1.4SLPSTD技術的關鍵特征 1.4.1局域傅裡葉基FFT 1.4.2吉布斯現像偽影的缺失 1.5介質繫統的時間步進關繫式 1.6消除單頻激勵的相速度數值誤差 1.7理想匹配層吸收外部邊界的時間步進關繫式 1.8消除近場向遠場變換的數值誤差 1.9在分布存儲巨型計算集群上的實現 1.10SLPSTD技術驗證 1.10.1平面波照射介質球的遠場散射 1.10.2雙層同心電介質球中電偶極子的遠場輻射 1.11總結 參考文獻 第2章基於拉蓋爾多項式的無條件穩定FDTD方法 2.1引言 2.2傳統三維拉蓋爾基FDTD方法的公式 2.3高效三維拉蓋爾基FDTD方法的表達形式 2.4PML吸收邊界條件 2.5數值結果 2.5.1平行板電容器： 均勻三維網格 2.5.2屏蔽的微帶線： 一維方向上的階梯網格 2.5.3PML吸收邊界條件特性 2.6總結與結論 參考文獻 第3章精確總場/散射場平面波源條件 3.1引言 3.2FDTD精確TF/SF公式的推導 3.3基本TF/SF公式 3.4TF/SF交界面上的電流源和磁流源 3.5各向同性背景介質中入射平面波場 3.6基本TF/SF公式的FDTD實現 3.7構造FDTD精確TF/SF平面波源 3.8精確TF/SF公式的FDTD離散平面波源 3.9高效整數映射 3.10邊界條件和矢量平面波極化 3.11必需的流密度Jinc和Minc 3.12方法總結 3.13仿真實例 3.14討論 參考文獻 第4章電磁波源條件 4.1綜述 4.2入射場和等效電流 4.2.1等效原理 4.2.2等效電流的離散和色散 4.3分離入射場和散射場 4.4電流和場： 局域狀態密度 4.4.1麥克斯韋本征問題與狀態密度 4.4.2輻射功率與諧振模式 4.4.3輻射功率與LDOS 4.4.4FDTD中的LDOS計算 4.4.5LDOS中的Van Hove奇點 4.4.6共振腔與珀塞爾(Purcell)增強 4.5高效頻率角度範圍 4.胞中的源 4.7運動的源 4.8熱源 4.9總結 參考文獻 第5章嚴格PML驗證和用於各向異性色散媒質的修正不分裂PML 5.1引言 5.2背景 5.3PML復數坐標拉伸基礎 5.4絕熱吸收體和PML反射 5.5區別正確和不正確的PML方法 5.6各向異性PML方法的驗證 5.7截斷各向異性色散介質的時域PML公式 5.8PML對斜波導的失效 5.9總結和結論 附錄5A： PML復數坐標拉伸基礎學習指南 5A.1波動方程 5A.2復數坐標拉伸 5A.3PML例子 5A.4非均勻介質的PML 5A.5用於倏逝波的PML 附錄5B： 需要的輔助變量 附錄5C： 光子晶體中的PML 5C.1pPML的電導率型面 5C.2耦合模態理論 5C.3收斂性分析 5C.4離散繫統中的絕熱理論 5C.5關於更好的吸收體 參考文獻 所選書目 第6章基於亞像素平滑的不連續媒質精確FDTD仿真 6.1引言 6.2介質邊界結構 6.3各向同性媒質邊界的介電常數平滑 6.4場分量插值實現數值穩定 6.5各向同性媒質邊界的收斂性研究 6.6各向異性媒質邊界的介電常數平滑 6.7各向異性媒質邊界時的收斂性研究 6.8結論 附錄6A： 導出亞像素方法的微擾技術概述(詳細推導參見文獻［7］) 參考文獻 第7章電磁場統計變化分析的隨機FDTD 7.1引言 7.2Delta方法： 通用多變量函數均值 7.3Delta方法： 通用多變量函數方差 7.4場方程 7.5場方程： 平均值近似 7.6場方程： 方差近似 7.6.1磁場方差 7.6.2電場方差 7.7場和σ迭代的時序 7.8層狀生物組織算例 7.9總結和結論 參考文獻 第8章有源的FDTD模擬 8.1引言 8.2計算模型簡介 8.3金屬的洛倫茲—特魯德模型 8.4直接帶隙半導體模型 8.5數值結果 8.5.1泵浦平行板波導對175fs光脈衝的放大 8.5.2內嵌金納米柱的無源圓盤形GaAs微腔的諧振偏移和輻射 8.6總結 附錄8A： 金屬光學性質的臨界點模型 附錄8B： 彎曲表面鋸齒化的優化 參考文獻 外延資料 第9章任意形狀納米結構非局域光學性質的FDTD計算 9.1引言 9.2理論方法 9.3金的介電函數 9.4計算設置 9.5數值驗證 9.6金納米薄膜(一維繫統)中的應用 9.7金納米線中的應用(二維繫統) 9.8球形金納米顆粒中的應用(三維繫統) 9.9總結與展望 附錄9A： 非局域FDTD方法 參考文獻 0章分子光學特性計算中經典電動力學與量子力學的耦合： RTTDDFT/FDTD方法 10.1引言 10.2實時時變密度函數理論 10.3FDTD基礎 10.4量子力學/經典電動力學混合 10.5任意極化光照射下，顆粒耦合染料分子的光學性能評估 10.6數值結果1： 直徑20nm銀納米球的散射響應函數 10.7數值結果2： N3染料分子的光吸收譜 10.7.1孤立N3染料分子 10.7.2與20nm銀納米球相鄰的N3染料分子 10.8數值結果3： 吡啶分子拉曼光譜 10.8.1孤立吡啶分子 10.8.2與20nm銀納米球相鄰的吡啶分子 10.9總結和討論 參考文獻 1章變換電磁學激發的FDTD方法進展 11.1引言 11.2FDTD技術中的不變性原理 11.3FDTD技術中的相對論原理 11.4計算坐標繫及其協變與逆變矢量基 11.4.1協變與逆變基矢量 11.4.2度量張量(Metric Tensor)的協變與逆變分量 11.4.3矢量的協變與逆變表示 11.4.4變換矢量到笛卡兒矢量基轉換及反之 11.4.5協變與逆變矢量基中的二階張量 11.5使用計算坐標繫的基矢量表示麥克斯韋方程組 11.6通過在計算坐標繫中使用坐標平面強制邊界條件 11.7與人工材料設計的聯繫 11.7.1簡單材料的本構張量 11.7.2人工材料的本構張量 11.8時變離散 11.9結論 參考文獻 精選目錄 2章非對角各向異性超材料鬥篷的FDTD建模 12.1引言 12.2具有非對角介電常數張量的超材料的穩定FDTD模擬 12.3橢圓柱形鬥篷的FDTD表述 12.3.1對角化 12.3.2將本征值映射到色散模型 12.3.3FDTD離散 12.4橢圓柱形鬥篷的模擬結果 12.5總結與結論 參考文獻 3章超材料結構的FDTD建模 13.1引言 13.2平面負折射透鏡的瞬態響應 13.2.1輔助差分方程公式 13.2.2例證問題 13.3具有負群速的加載傳輸線的瞬態響應 13.3.1公式表述 13.3.2數值仿真參數與結果 13.4平面各向異性超材料網格 13.4.1公式 13.4.2數值仿真參數與結果 13.5實現超材料結構的周期性幾何結構 13.6正弦—餘弦方法 13.7平面負折射傳輸線的色散分析 13.8陣列掃描與正弦—餘弦方法的耦合 13.9陣列掃描法在點源平面正折射傳輸線上的應用 13.10陣列掃描方法用於平面微波“完美透鏡” 13.11用於模擬的光學超材料的三角網格FDTD技術 13.11.1公式與更新方程 13.11.2周期邊界條件的實現 13.11.3穩定性分析 13.12使用三角形FDTD技術分析亞波長光子晶體 13.13總結與結論 參考文獻 精選讀物 4章采用FDTD方法計算光學成像 14.1引言 14.2光學相關的基本原理 14.3光學成像繫統的整體結構 14.4照射子繫統 14.4.1相干照射 14.4.2非相干照射 14.5散射子繫統 14.6采集子繫統 14.6.1傅裡葉分析 14.6.2格林函數形式體繫 14.7重聚焦子繫統 14.7.1滿足阿貝正弦條件的光學繫統 14.7.2周期散射體 14.7.3非周期散射體 14.8實例： 數值顯微圖像 14.8.1在薄介質襯底上凸出的字母N和U 14.8.2聚苯乙烯乳膠珠 14.8.3空氣中的接觸聚苯乙烯微球對 14.8.4人類面頰(口腔)細胞 14.9總結 附錄14A： 方程(14.9)的推導 附錄14B： 方程(14.38)的推導 附錄14C： 方程式(14.94)的推導 附錄14D： 使用平面波進行相干聚焦波束合成 參考文獻 5章采用FDTD方法計算光刻技術 15.1引言 15.1.1分辨率 15.1.2分辨率提高 15.2投影光刻 15.2.1光源 15.2.2光學掩模 15.2.3光刻透鏡 15.2.4硅片 15.2.5光刻膠 15.2.6部分干涉 15.2.7干涉與偏振 15.3計算光刻 15.3.1成像方程 15.3.2掩模照射 15.3.3部分相干照射： Hopkins方法 15.3.4光刻膠干涉成像 15.4投影光刻的FDTD建模 15.4.1FDTD的基本架構 15.4.2平面波輸入的引入 15.4.3監控衍射級數 15.4.4映射到入射光瞳 15.4.5FDTD網格 15.4.6並行化 15.5FDTD的應用 15.5.1電磁場對掩模形貌的作用 15.5.2使薄掩模近似更具電磁場特性 15.5.3Hopkins近似 15.6極紫外(Extreme ultraviolet)光刻的FDTD建模 15.6.1EUVL曝光繫統 15.6.2EUV絲網 15.6.3EUVL掩模建模 15.6.4使用傅裡葉邊界條件的混合技術 15.7總結和結論 附錄15A： 遠場掩模衍射 附錄15B： 聚焦場的德拜表示 附錄15C： 偏振張量 附錄15D： 最佳焦點 參考文獻 6章FDTD和PSTD在生物光子學中的應用 16.1引言 16.2FDTD模型應用 16.2.1脊椎動物視杆 16.2.2單個細胞角散射響應 16.2.3癌前宮頸細胞 16.2.4後向散射特征信號對納米尺度細胞變化的敏感性 16.2.5單個細胞的線粒體聚集 16.2.6多細胞聚焦光束傳播 16.2.7計算成像和顯微術 16.2.8利用光子納米射流檢測HT29結腸癌細胞中的 納米尺度z軸特性 16.2.9對生物媒質Born近似法的評價 16.3麥克斯韋方程組的傅裡葉基PSTD技術概述 16.4PSTD和SLPSTD建模應用 16.4.1通過二維介質圓柱體大型團簇增強光的後向散射 16.4.2三維增強後向散射中的深度分辨偏振各向異性 16.4.3調整三維隨機團簇中球形介電粒子的尺寸 16.4.4針對濁度抑制的光學相位共軛 16.5總結 參考文獻 7章空間孤子的GVADE FDTD建模 17.1引言 17.2背景的分析和計算 17.3非線性光的麥克斯韋—安培定律處理 17.4一般矢量輔助微分方程法 17.4.1Lorentz線性色散 17.4.2Kerr非線性效應 17.4.3Raman非線性色散 17.4.4電場解 17.4.5光學波長上金屬的特魯德(Drude)線性色散 17.5TM空間孤子傳播的GVADE FDTD法應用 17.5.1單窄基本TM空間孤子 17.5.2單寬過強TM空間孤子 17.5.3共傳輸窄TM空間孤子的相互作用 17.6GVADE FDTD在TM空間孤子散射中的應用 17.6.1正方形亞波長空氣孔的散射 17.6.2與薄薄膜的相互作用 17.7小結 參考文獻 8章黑體輻射和耗散開放繫統中電磁擾動的FDTD建模 18.1引言 18.2用FDTD方法研究擾動和耗散 18.3將黑體輻射引入到FDTD網格 18.4真空中的仿真 18.5開腔的仿真 18.5.1馬爾科夫區域(ττc) 18.5.2非馬爾科夫區域(τ~τc) 18.5.3解析驗證與比較 18.6概括與展望 參考文獻 9章任意形狀媒質的卡西米爾力 19.1引言 19.2理論基礎 19.2.1應力—張量方程 19.2.2復頻域 19.2.3時域方法 19.2.4卡西米爾力的時域積分表述 19.2.5式(19.28)中g(－t)的估值 19.3根據諧波展開進行重構 19.4數值研究1： 三維配置的二維等效 19.5數值研究2： 色散介質材料 19.6數值研究3： 三維空間的柱對稱 19.7數值研究4： 周期性邊界條件 19.8數值研究5： 完整三維FDTD卡西米爾力計算 19.9推廣到非零溫度 19.9.1理論基礎 19.9.2時域T>0的綜合 19.9.3驗證 19.9.4推論 19.10概括和結論 附錄19A： 柱坐標下的諧波展開 參考文獻 第20章Meep： 靈活免費的FDTD軟件包 20.1引言 20.1.1可替代的計算工具 20.1.2Meep對於初值問題的求解 20.1.3本章的結構 20.2網格和邊界條件 20.2.1坐標和網格 20.2.2網格區塊與自有的點 20.2.3邊界條件和對稱性 20.3奔向連續空時建模的目標 20.3.1亞網格平滑 20.3.2場源插值 20.3.3場輸出的插值 20.4材料 20.4.1非線性材料 20.4.2吸收邊界層： PML、偽PML以及準PML 20.5具備典型計算能力 20.5.1計算通量譜 20.5.2分析諧振模式 20.5.3頻域求解器 20.6用戶界面和腳本 20.7抽像與性能 20.7.1內循環優先性 20.7.2時間步進和緩存平衡 20.7.3塊中循環抽像 20.8概括和結論 參考文獻 縮略語和常用符號 英漢詞彙表
內容簡介
光子學和納米技術的進步已經有效改變了人類在通信和計算方面的能力。本書介紹了時域有限差分計算電磁學在光子學和納米技術方面的新進展。
[美]艾倫·泰福勒（AllenTaflove）[美]阿爾達凡·奧斯庫奧依（ArdavanOskooi）[美]斯蒂芬·G.約翰松（StevenG.Johnson） 著 劉佳琪 張生俊 王明亮 薛 暉 艾 夏 莫錦軍 譯
"艾倫？泰福勒（Allen Taflove），美國西北大學全職教授，西北大學電氣工程專業學士、碩士、博士。自1972年以來致力於發展FDTD基礎理論、算法及應用。2010年泰福勒教授的工作被Nature Milestones|Photons收錄，稱其為求解麥克斯韋方程組數值方法的兩位主要先驅者之一。當前，他是世界上他引很高的技術類作者之一。他的三本安泰科（Artech）版圖書《計算電動力學：時域有限差分法》的綜合引用居工程史十大被引書籍之首，並且在物理學目前他引率很高書籍中排名第七。 阿爾達凡？奧斯庫奧伊（Ardavan Oskooi），日本京都大學博士後研究員，多倫多大學工程科學專業學士，......
光子學與納米技術的進展可能帶來人類在通信能力、理解基本生命過程的計算能力以及對恐怖的疾病（如癌癥）的診斷和治療能力方面的變革。對於追求這些進展而言，關鍵是理解並建立光與納米尺度、三維（3D）材料結構相互作用的合適模型。這類結構的重要幾何特征和材料非均勻性可能小到幾十個原子的排列。當前，已經確認對這種納米結構與光相互作用最有效的計算模擬方法是基於經典電動力學基本麥克斯韋方程組的數值求解，視需要輔以與量子電動力學（更基礎，但計算起來更麻煩）的空間局域化混雜。 本書針對工作在光子學和納米技術所有領域的學術和工業界研究人員，對光與納米尺度材料結構相互作用的計算表述和實施的當前現狀進行了綜述。對於采用時域有限差分（FDTD）技術求解麥克斯韋方程組而言，過去40年來主要由作者之一（Taflove）參見在線文章，http://www.nature.com/milestones/miklephotons......
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