"？ 本書繫統介紹光與納米尺度、三維（3D）材料結構相互作用仿真建模有效的麥克斯韋方程組數值求解方法。？ 三位主要作者來自西北大學和MIT，是業界巨擘、FDTD先驅者、Meep開發者；各章節的作者來自全球，是相關領域研究的先驅者及佼佼者。？ 如果你從事光子學和納米技術各領域最前沿的學術研究和工程設計，有意繫統了解技術與仿真方法研究最前沿，本書是你的很好選擇。？ 如果你想了解FDTD和PSTD技術的關鍵進展，本書第1～7章向你傾情展示。？ 如果你想致力於最近熱門的納米光子學、超材料等

●第1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1.4SLPSTD技術的關鍵特征1.4.1局域傅裡葉基FFT1.4.2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1.10SLPSTD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章準確總場/散射場平面波源條件3.1引言3.2FDTD準確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準確TF/SF平面波源3.8準確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Minc3.12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LDOS4.4.4FDTD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PML5.1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PML5A.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PML5C.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準確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FDTD7.1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方法參考文獻第10章分子光學特性計算中經典電動力學與量子力學的耦合： RTTDDFT/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第11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第12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第13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第14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U14.8.2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第15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： 很好焦點參考文獻第16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HT29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SLPSTD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總結參考文獻第17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小結參考文獻第18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(ττc)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第19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PML20.5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

光子學和納米技術的進步已經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

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/等