用三维并行时域有限差分算法研究光子晶体薄板W3波导传输特性

构建了用于高性能并行计算的PC机群环境,将基于此机群环境的三维并行时域有限差分算法用于光子晶体薄板W3波导传输特性研究·性能分析表明:对于大规模问题,机群并行FDTD算法能够获得较理想的加速比·具体计算了W3波导的透射率频谱和光场分布·结果表明:光子晶体薄板W3波导能够实现光的三维约束,其导带中存在着微小禁带(mini-gap)·

倾斜各向异性地层中多分量电磁波测井响应三维时域有限差分(FDTD)算法

利用三维时域有限差分技术(FDTD)研究建立倾斜各向异性地层中多分量电磁测井响应的数值模拟算法.首先,利用 Yee 氏交错差分格式和线性内插公式对各向异性介质中时域 Maxwell 方程进行离散化,得到各向异性介质中各个交错节点上电磁场的时域递推公式,同时将面积加权平均与旋转矩阵技术相结合确定各个网格节点的等效电导率张量,此外,单轴各向异性吸收边界条什(UPML)被用于降低求解区域外边界反射.在此基础上.利用单频正弦磁偶源计算时域电磁场空间分布以及特殊的双方程算法(2E2U)从数值结果中快速提取电磁场幅度和相位,确定多分量电磁测井仪器的三维响应.最后.通过数值结果证明该算法的有效性,并系统考察不同层厚、地层倾角以及侵入带半径等变化对多分量电磁测井响应的影响.

银纳米颗粒局域表面等离激元增强型Sb2S3光伏器件的模拟研究

当入射光与金属纳米颗粒相互作用时,会在颗粒表面引发局域表面等离激元共振,这一效应能够显著增强近场强度。这种增强作用可以有效提高Sb2S3材料的激发态密度,从而加强光伏器件对入射光的吸收能力,并进一步提升其光电转换效率。此外,金属纳米颗粒的引入还能利用前散射效应增加入射光在光吸收层内的传播路径,进一步增强光吸收。基于这些原理,本文设计了一种新型的Sb2S3光伏器件,其中集成了银纳米颗粒以实现局域表面等离激元的增强效应。选择银纳米颗粒是因为其成本较低且制备相对容易。所设计的器件结构为FTO/ZnO/CdS/Sb2S3/C/Au。为了深入了解器件的性能,我们采用时域有限差分法进行了数值模拟。模拟结果展示了器件在不同平面下的电场分布以及其对不同波长入射光的吸收率曲线。模拟数据表明,银纳米颗粒的引入有望显著提升Sb2S3光伏器件的性能,为实验制备高效能的Sb2S3光伏器件提供了理论支撑和指导。

光学材料亚表面缺陷处强激光电磁场分布的3维模拟

利用时域有限差分法求解麦克斯韦旋度方程,研究了光学材料表面缺陷对入射激光场的调制作用,建立了亚表面缺陷的3维模型。以长方体表面缺陷为例,对缺陷附近的光场分布进行了3维数值计算,给出了电场强度3维分布图和缺陷不同尺寸时的最大电场强度。研究表明,相对于2维简化情况,3维表面缺陷对强激光电磁场的调制作用更加明显。

基于光子晶体1×3谐振腔滤波器的研究

考虑到滤波器输入波导中入射电磁波和反射电磁波的相位差,通过CMT理论分析了不同设计情况下的工作性能,然后优化设计了光子晶体1×3谐振腔滤波器结构.用FDTD方法研究了滤波器工作特性,改变1×3谐振腔下侧调谐柱位置得到滤波器结构的96个不同通带峰值波长平均正规化传输率为89.6%,相邻峰值波长平均间隔为1.25nm、平均传输带宽为1.19nm、谐振腔平均品质因数为1350.2、提取的峰值波长调谐范围在1534.04～1653.16nm.结果表明:该滤波器具有正规化传输率高、带宽窄、波长信号提取强度平稳等特性.其结构在密集型波分解复用(DWDDM)系统设计、光信号传感器件设计、密集型光路集成化设计等领域具有潜在的应用价值.

神光-Ⅲ装置腔体系统电磁脉冲的3维电磁粒子模拟

采用3维电磁粒子模拟方法,在常规的电磁场时域有限差分(FDTD)算法和粒子模拟方法的基础上,通过有效电荷分配方法避免了繁琐的泊松修正过程,引入时偏算法滤除了迭代过程中的高频噪声,结合共形网格技术对曲线边界进行建模,对神光-Ⅲ装置靶室环境内的腔体系统电磁脉冲进行了仿真,在距离电子发射端面9 cm的平面上获取了3个对称位置取样点的电场时域波形及其变化规律,得到电场强度峰值约为55 kV·m-1。通过与2维仿真和常规FDTD 3维仿真的对比分析,验证了电磁场的环向对称性和3维电磁粒子模拟方法计算结果的可靠性。

FDTD优化a-Si∶H薄膜太阳电池Si_3N_4纳米柱陷光结构（英文）

采用有限时域分析法研究了采用电介质Si3N4纳米柱为氢化非晶硅薄膜太阳电池的陷光结构时，其光吸收增强的情况。实验结果表明，电介质Si3N4纳米柱为氢化非晶硅薄膜太阳电池的陷光结构时，不仅可以增加吸收率和加宽吸收谱范围，而且在短波长范围内的吸收高于金属纳米颗粒。对于80nm和100nm厚的氢化非晶硅薄膜太阳电池，当达到最大吸收增强比1．60和1．53时，对应的电介质Si3N4纳米柱高度分别为90和95nm。当Si3N4纳米柱的直径D：160nm，间距P=240nm，高度H=90nm，而氢化非晶硅薄膜太阳电池的厚度在70-120nm变化时，吸收增强比在厚度为100nm时达到最大值1．60。总之，可以通过优化Si3N4纳米柱的尺寸来提高电池的转换效率。

高Q值的全偏振环形光子晶体L3微腔结构设计

高品质因子(Q值)的光子晶体微腔的应用广泛,而传统光子晶体不能形成全偏振,且不能同时具备横电模(TE)和横磁模(TM)都较高的品质因子,使其限制了光子晶体的应用。文中运用时域有限差分(FDTD)的方法,设计了一种三角型环形光子晶体L3微腔,能同时有效利用TE和TM两种偏振光,且L3微腔的TE和TM偏振光Q值分别达到31 000和10 500。晶格参数为周期a=420 nm,外半径R=170 nm,内半径r=100 nm,厚度d=100 nm,其TE与TM偏振光在474 nm处均存在光子带隙。

用FDTD法仿真分析电磁脉冲对舰载C^3I系统的威胁

强电磁脉冲对舰栽系统存在严重威胁。利用时域有限差分法(Finite—DifferenceTime—Domian Method)。提出评估强电磁脉冲对舰载C3I系统作用的数学模型和进行实验的一些条件和基本措施。

激光诱导光学材料后表面损伤的数值模拟

采用3维时域有限差分方法和完全匹配吸收层,模拟了长方体缺陷在熔石英前后表面时对入射激光为TM波的调制作用,绘出了截面上的电场强度分布及最大电场强度随熔石英深度变化的曲线,并进行了比较和分析。结果表明:缺陷在前表面上时,后表面附近的最大电场强度2.52241V/m大于缺陷附近的1.95883V/m;缺陷在后表面上时,材料中的最大电场强度为2.79938V/m,且出现在后表面附近。无论该缺陷在前表面还是在后表面,最大电场强度都是出现在后表面附近,表明光学材料的后表面在一定程度上更容易被损伤。

基于系统辨识的平面光波导谐振腔滤波器仿真实验研究

分别用时域有限差分仿真算法和系统辨识算法对GaAl As/GaAs单环谐振腔滤波器的滤波特性进行了仿真计算并进行了对比.结果表明:两种算法获得的滤波器的滤波特性基本一致,系统辨识算法比时域有限差分算法可节省一定的计算时间.以仿真模拟为基础,设计、制作了GaAl As/GaAs平面光波导单环谐振腔滤波器.仿真计算的滤波器滤波特性与实际器件测试结果吻合较好,通带半宽约为13nm.

分层土壤结构下雷电感应过电压计算与分析

为研究雷电感应过电压的发展规律,为架空输电线路的防雷设计提供有价值的参考依据,开发了雷电感应过电压3维时域有限差分(3-D FDTD)算法。利用该算法,研究了不同分层土壤结构对架空输电线路雷电感应过电压的影响。对于水平分层土壤,当上层土壤电导率(0.001 S/m)明显小于下层(0.1 S/m)时,土壤等效阻抗变化带来的影响使感应过电压幅值与上层土壤厚度呈正相关;反之,感应过电压幅值则随上层厚度的增大急剧减小,厚度>2 m时其幅值几乎仅由上层土壤决定。对于垂直分层土壤,当雷电电磁场由高电导率土壤传播至低电导率土壤时,垂直分层结构对耦合电压的影响不容忽略;反之,若线路附近5 m以上区域存在高电导率土壤时,则不需考虑垂直分层结构的影响。综上,在架空输电线路雷电感应过电压计算中,需要根据实际情况决定是否考虑分层土壤结构(包括水平分层和垂直分层)的影响。

土壤非线性击穿效应对垂直接地体散流特性的影响

基于L-D(Liew and Darveniza)提出的土壤非线性击穿模型,利用Taku Noda和Yoshihiro Baba等分别提出的导体在无耗介质和有耗介质中的细导线处理方案,开发了一套三维时域有限差分(three dimension finite-difference timedomain,3-D FDTD)算法,研究了在不同雷电流幅值和波形以及土壤低频电导率作用下,土壤非线性击穿效应对垂直接地体受土壤击穿影响的散流区域、冲击阻抗和暂态地电位升等参数的影响。结果表明,当土壤低频电导率为0.02 S/m和0.005 S/m时,垂直接地体横向散流半径分别约为0.5 m和1.2 m;接地极尖端部位的纵向散流区域分别约为0.3 m和0.9 m。此外,暂态地电位升的变化特性与注入的雷电流幅值和波头时间以及土壤低频电导率密切相关,但无论是否考虑土壤击穿效应,垂直接地极冲击阻抗最大值保持不变,仅决定于土壤低频电导率等相关土壤特性参数。工程上定义的冲击阻抗值仅表征了未考虑土壤击穿情况下的稳定阶段阻抗值,远小于文中计算的冲击阻抗最大值。

复杂地形下架空线雷电感应过电压特性仿真研究

研究山区复杂地形对雷电感应过电压的影响,可为山区架空输配电线路的防雷设计提供理论参考。建立3维时域有限差分(3-DFDTD)算法模型,计算复杂山体地形下的雷击电磁场,并结合Agrawal耦合模型计算架空线感应过电压。算法的准确性通过与国外相关研究结果的对比得以验证,并利用该算法对复杂地形下架空线雷电感应过电压特性进行了仿真研究。结果表明:感应过电压幅值明显受山体地形坡度的影响,与平坦地形相比,其幅值随山体坡度的增加而明显增大;架空线感应过电压幅值不仅与线路所在位置处的地形坡度有关,还受到其他地形坡度的影响,感应过电压幅值随山体陡度的增加而变大;以南京紫金山地形为例,模拟结果显示山区地形条件下的感应过电压明显大于理想平坦地面的情况,线路两端过电压幅值分别提高了51.4%和47.3%。

基于GprMax的道路空洞三维探地雷达正演数值模拟

探地雷达(GPR)方法具有高效、高分辨率、无损探测等优势,广泛应用在城市道路病害体探测中。三维探地雷达是近年来发展起来的新技术,通过三维阵列天线进行三维数据采集,对道路病害体具有更高的空间分辨率和测量精度。本文利用基于三维时域有限差分方法原理的GprMax 3D软件,针对以空洞为代表的典型道路病害体,开展充气型和充水型空洞三维探地雷达正演模拟工作,获得两种不同填充类型空洞的三维雷达数据体,对数据体不同方向的图像特征进行分析,并结合工程实例,验证了正演模拟结果的可靠性。该研究对三维探地雷达实测图像解译和提高检测结果判定的可靠性具有重要的指导意义。

光子晶体双波长电光调制和模分复用集成器件

为了实现光电子器件小型化和多功能化,进一步提高信息传输容量和速度,提出了一种基于光子晶体双波长电光调制和模分复用的片上集成器件。该集成器件的电光调制模块由硅基光子晶体波导和两个L3型复合腔组成,模分复用模块由硅基非对称平行纳米线波导组成,两个模块的连接处采用硅基光子晶体波导。采用L3型复合腔和PN掺杂结构实现两个波长TE_(0)模的调制,采用非对称定向耦合结构将两个波长的TE_(0)模转换为TE_(1)模。应用基于三维时域有限差分法(3D-Finite Difference Time Domain,3D-FDTD)的Lumerical软件进行仿真分析,结果表明,在调制电压为1.05 V时,该集成器件可以实现中心波长为1552.1 nm和1556.1 nm的TE_(0)模、TE_(1)模通断调制及两模式模分复用功能。该器件的消光比高达24.67 dB,调制深度均为0.99,插入损耗小于0.57 dB,信道串扰小于−34.68 dB,调制速率最低为17.54 GHz。该集成器件结构紧凑,可望应用于高速大容量光通信系统。

2D-FDTD法计算波导截止频率的激励源设计与取样

在计算波导截止频率时,激励源的设计必须与波导中通过信号的模式相匹配.以矩形波导为例,用二维时域有限差分法(2D-FDTD)提出激励源的优化设计方案与采样点的有效选取问题.

β-Ga_(2)O_(3)叠层紫外透明导电薄膜的光学设计

采用时域有限差分法计算β-Ga_(2)O_(3)/金属/β-Ga_(2)O_(3)叠层紫外透明导电薄膜的光学透过率,研究Ga_(2)O_(3)厚度、插入层材料及厚度对叠层透明导电薄膜透过率的影响。数值计算结果表明,插入铂或石墨烯纳米层可提高叠层薄膜在紫外波段的透过率,而插入Ag纳米层,叠层薄膜在紫外波段的透过率较之Ga_(2)O_(3)单层薄膜略有下降。增加插入层厚度将进一步降低叠层薄膜在紫外波段的透过率。Ga_(2)O_(3)薄膜厚度对透过率较为敏感,既有可能起到增透的作用,也有可能起到增反的作用,无论是增加顶层还是底层厚度或同时增加两者厚度都将降低紫外波段透过率,但对可见光透过率的影响则较为复杂。相信叠层透明导电薄膜的光学设计和优化可促进该类型复合透明导电薄膜在薄膜太阳电池、平板显示器、触摸屏和有机发光二极管等光敏电子器件中的实际应用。

回音壁模圆盘谐振腔的光能分布

回音壁模 (WGM )圆盘谐振腔作为一种新的光电探测器在生物病原体的检测方面获得了应用 .光在亚微米尺寸波导耦合的WGM中的传播行为是一个迫切需要了解的问题 .采用时域有限差分法 (FDTD)可以获得WGM的光能分布 .计算结果表明 :存在于WGM圆盘微腔中的微粒的吸收性会引起WGM微腔场强的明显变化 .该结果对实际制作性能优良的光学生物探测器具有指导意义 .

基于纳米碗聚光器的高效陷光和高性能有机光伏电池（英文）

几何陷光是一种简单且极具希望成为大幅度提高太阳能电池的光吸收和效率的方案.然而,由于很难在粗糙的衬底上均匀涂敷有机吸光层,在有机光伏电池中实现几何陷光非常具有挑战性.本文报道了一种基于方形排序的纳米碗阵列(SONA)的PCBM:P3HT有机光伏电池.这种电池比相应的基于平面阵列的电池在光电能量转换效率方面提高了28%以上.时域有限差分法(FDTD)光学模拟显示,SONA优越的陷光性能源自纳米碗阵列的聚光效应.此外,为了实现低成本、可湿法加工、资源可持续性的柔性太阳能电池,本文采用银纳米线作为顶部透明电极.本研究不仅深入展示了基于纳米碗聚光器的高效陷光效应,还解释了在有机光伏电池中实现几何陷光的可行性.