介质色散特性的IIR数字滤波器模拟及其在FDTD上的应用

在用时域有限差分法 (FDTD)分析色散媒质电磁问题过程中 ,采用无限冲激响应滤波器模拟媒质的色散特性 ,讨论了包括冲激响应不变法和双线性变换法等滤波器设计方法在这一新领域中的应用。改进的 FDTD法利用成熟的数字信号处理技术分析处理了色散媒质瞬变电磁场问题 ,为数字信号处理技术在时域电磁场分析领域的应用提供了新的思路。为验证此方法的有效性和可靠性 ,分别用滤波器系统模拟了不同色散媒质 ,并在此基础上用 FDTD对色散媒质电磁问题进行了分析计算 。

介质色散对交叉偏振波输出特性的影响

理论研究了介质色散对钛宝石超短激光脉冲在氟化钡(BaF2)晶体中产生交叉偏振波(XPW)输出特性的影响。通过数值模拟发现,考虑介质色散效应时,介质的色散效应使晶体中的XPW转换效率降低,产生XPW的脉冲宽度大于入射脉冲宽度的1/3,饱和光强增大。结果表明,当短激光脉冲驱动时介质色散对XPW产生的影响不能忽略。

含色散介质的一维光子晶体微腔中简正耦合模的物理图像

对一维光子晶体中的色散介质采用洛仑兹振子模型,对线性层及色散δ层均采用传输矩阵的方法,研究了一维含色散介质的光子晶体微腔中的简正耦合模。通过改变洛仑兹振子和微腔之间的失谐频率,分析了简正耦合模频率的变化情况。在失谐频率比较大时,光与洛仑兹振子间的耦合作用较小,简正耦合模中的一个接近腔模频率,而另一个则接近洛仑兹振子的共振频率;在失谐频率比较小时,光与洛仑兹振子间的耦合作用较大,简正耦合模与未耦合的腔模频率和洛仑兹振子的共振频率之间的差别较为明显。最后通过引进该结构的复有效折射率,对含色散介质的系统,由于带隙中间的共振模被湮灭并分裂为左右两个耦合模,其复有效折射率虚部在原共振峰处跃变为一较大值,而在新生成的两个耦合模附近趋近于零,光与色散介质相互耦合而形成的腔极化激元的物理图像十分清晰。

一种处理分层有耗色散介质的时域逆散射方法

为了重建分层有耗色散介质的特征参数,我们应用泛函分析和变分法,提出一种时域逆散射新方法.该方法首先以最小二乘准则构造目标函数,将逆问题表示为约束最小化问题;接着应用罚函数法转化为无约束最小化问题;然后基于变分计算导出闭式的拉格朗日(Lagrange)函数关于特征参数的Férchet导数;最后借助梯度算法和时域有限差分(FDTD)法迭代求解.此外,为了对抗噪声污染和逆问题的病态特性,采用了一阶吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方法.数值应用中,利用一组非线性共轭梯度(CG)法,在几种情形下对一维乳房模型进行了数值测试,测试结果显示了算法的鲁棒性和识别病灶的有效性.

色散介质中啁啾高斯脉冲的时间和光谱特性

对啁啾高斯脉冲光束在色散介质中的时间和光谱特性作了研究.给出了远场光谱蓝移和脉冲展宽的解析式.结果表明:通过选择适当的啁啾参量,啁啾高斯脉冲光束沿轴上传输色散长度时,脉冲可恢复到初始值.随啁啾参量增加,谱线宽度展宽,轴上光谱蓝移增加,在远场蓝移趋于一渐近值.随啁啾参量增加,离轴光谱红移增加.

超短脉冲高斯光束在线性色散介质中的远场特性

基于瑞利索末菲衍射积分公式,在未作近轴近似的条件下,推导出等束宽超短脉冲高斯光束通过线性色散介质的远场公式,并用于研究其远场特性,所得公式可用于大衍射角情况.结果表明,等束宽脉冲高斯光束的频谱上存在一临界角,小于临界角时,出现蓝移;大于临界角时,出现红移,红移量随着衍射角的增大而增大.而脉冲波形将经历时间移动,移动量随衍射角的增大而增大;远场高斯脉冲波形将不再保持不变.此外,群速度色散将引起啁啾,啁啾量随衍射角的增大而减小.

有耗色散地质介质中电磁波传播特性的FDTD计算分析

介绍一种基于三维时域有限差分法(FDTD)的有耗色散地质介质中电磁波传播特性数值分析方法。通过将色散介质本构关系和场量关系直接变换为时域微分方程的方法,导出了适用于一般色散介质中电磁场分析的时域有限差分法计算公式,并将完全匹配层(PML)吸收边界融入了FDTD计算格式。通过计算分析了介质色散对电磁波场传播的影响,观测到介质色散会导致电磁脉冲在传播中波形展宽、位相滞后、幅度减小。因此,电磁探测数据的处理解释应将介质的色散影响纳入考虑。

色散介质混合模型的通用FDTD方法

本文根据三种色散介质模型(即德拜模型,洛仑兹模型和德鲁模型)的介电系数线性组合可写成以j?为自变量的分式多项式形式的特点,在文献[5]的基础之上,将移位算子时域有限差分方法(SO-FDTD)推广,使其适于色散介质混合模型电磁计算的需要。数值计算结果和解析解的比较说明了本文算法的可行性。

基于FDFD的色散介质传输特性分析

通过频域有限差分法与色散介质的频域表达式相结合,文章推导出二维TM波激励下的频域公式,设计了一种二维周期性孔阵列结构的Debye色散介质模型,并分析了入射角度、色散介质结构参数对透射特性的影响。结果表明,在一定范围内当入射角增大、孔半径增大及周期常数减小时,该色散介质均具有较好的透射特性。

高阶色散介质的改进移位算子时域有限差分方法

提出一种适用于高阶Debye,Drude,Lorentz及其混合模型的改进移位算子的时域有限差分(SO-FDTD)方法。从介质极化率函数出发,将其写成一阶或二阶有理分式求和的形式,并在随时间步推进计算的过程中,通过引入中间变量和设置临时变量,克服了常规SO-FDTD将高阶模型直接转化为有理分式所导致的计算复杂性和内存占用量大的问题。同时,改进SO-FDTD方法的时域推进计算步骤具有通用性,克服了常规递归卷积(RC-FDTD)方法对各种高阶模型具有不同计算公式,因而不能形成通用计算程序的问题。最后,通过空气-高阶色散介质界面的反射系数计算验证了算法的有效性和通用性。

二维损耗和色散介质光子晶体传输特性的研究

将传输矩阵法(TMM)用于光子晶体传输特性的研究,采用Mur近似吸收边界和周期边界来截断计算区域,计算了以TM模正入射时,二维方格子光子晶体在完整周期结构下的透过率谱;在微波波段制作了光子晶体模型,并设计了实验装置,实验与数值模拟计算结果相符合;另外还研究了有损介质光子晶体、色散和吸收介质光子晶体的传输特性,及其对光子禁带的影响。

色散吸收非对称介质光腔中光场的量子理论

利用格林函数方法对色散吸收介质中的电磁场量子化 ,研究了由色散吸收介质构成的非对称介质光腔中光场的量子理论 ,并分析了非对称性对光腔量子性质、工作性能等的影响 .

色散手征介质FDTD分析的Newmark方法

基于Newmark算法,给出一种处理色散手征介质电磁问题的显式时域有限差分方法.根据色散手征介质电磁参数特点,在本构关系中定义了4个中间变量,并建立对应的辅助微分方程;然后,将动力学经典Newmark步进算法应用于辅助微分方程;最后,结合本构关系和麦克斯韦旋度方程实现了色散手征介质的时域有限差分显式迭代计算.计算了色散手征介质层的同极化和交叉极化反透射系数和色散手征介质球的双站雷达散射截面,与解析结果对比,表明该算法正确有效.

贝塞尔-高斯脉冲光束在色散介质中的时间和光谱特性

对等衍射长度贝塞尔-高斯脉冲光束在色散介质中的时间和光谱特性作了研究,结果表明,通过选择适当的空间参数,贝塞尔-高斯脉冲光束沿轴上传输时,脉冲宽度不变。传输距离小于无衍射长度时,随衍射角增加,功率谱形状未变,脉冲波形保持不变;传输距离大于无衍射长度时,随衍射角增加,光谱由蓝移变为红移,脉冲展宽。

色散介质中的时域小波Galerkin方法

将基于Daubechies尺度函数的时域小波Galerkin法应用到水和等离子体色散介质中的瞬态传播,给出了一种既适合于Debye模型,又适合于等离子体计算的差分方程方法。计算结果证实了方法的有效性,与(FD)2TD比较,该方法可以增加网格尺寸而不会牺牲精度,因而具有计算效率高的特点。

色散介质的探地雷达正演模拟

利用时域有限差分(FDTD)法进行地下管线的探地雷达剖面正演合成,采用单轴各向异性理想匹配层(UPML)作为吸收边界,结合辅助场的方法,推导色散介质的二维FDTD迭代公式,并分别在土壤为均匀介质和色散介质的情况下,详细分析地下管线的电磁波响应特征,总结媒质参数对管线的电磁波响应的影响规律,研究结果对野外资料的解释有一定的指导意义。

色散吸收非对称介质光腔系统中光场量子起伏的功率谱

借助系统格林函数和色散吸收介质中电磁场量子化过程 ,通过数值计算研究非对称色散吸收介质光腔系统中光场量子起伏的功率谱 结果表明 ,介质的折射和吸收性质分别对真空场起伏功率谱的振荡频率、振幅产生影响 ,腔两侧介质折射系数的对称性能更有效地抑制腔外空间场起伏功率谱的振荡 ;介质折射系数愈大 ,则其中光场起伏功率谱振荡中心愈低、振荡频率愈大 ,与此同时 。

复杂色散介质电磁特性分析的扩展Newmark-FDTD方法

基于有限元中的Newmark算法,提出一种新的色散介质时域有限差分(FDTD)方法,称为扩展NewmarkFDTD方法,它不仅可以用统一的方式处理Debye、Drude、Lorentz等常见色散介质问题,还可以统一处理修正Lorentz、二阶复有理函数等新的色散模型及其混合模型问题,且具有更高的计算精度和较好的稳定性.最后,通过算例对该算法的有效性进行验证.

等离子体/色散吸收介质界面系统中光场量子起伏功率谱

利用格林函数方法量子化色散吸收介质中的电磁场,研究了等离子体/色散吸收介质系统光场的量子性质 理论和数值计算表明,系统的工作状态与所选光场频率密切相关,等离子体介质的阻尼性明显地影响自身区域电场量子起伏功率谱。

一种色散介质中的低误差ADI-FDTD算法

交变方向隐式时域有限差分(ADI-FDTD)能够克服传统时域有限差分算法中稳定性条件对时间步长的限制,从而提高计算效率,但是在大步长时其误差较大。ER(低误差)-ADI-FDTD方法通过补偿截断误差项,提高了计算精度,但是目前仅给出二维非色散条件下的形式。在ER-ADI-FDTD的基础上,提出了一种色散介质中的低误差D-ER-ADI-FDTD算法,推导出了完整的三维计算公式。最后通过计算和结果比较对算法进行检验。