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FDTD計算電動力學中的新進展--光子學與納米技術(翻譯版)/電子信息前沿技術叢書

  • 作者：(美)艾倫·泰福勒//阿爾達凡·奧斯庫奧依//斯蒂芬·G.約翰松|譯者:劉佳琪//張生俊//王明亮//薛暉//艾夏等
  • 出版社：清華大學
  • ISBN：9787302507963
  • 出版日期：2019/07/01
  • 裝幀：平裝
  • 頁數：501
人民幣：RMB 168 元      售價：元
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內容大鋼
    本書系統介紹光與納米尺度、三維(3D)材料結構相互作用模擬建模最有效的麥克斯韋方程組數值求解方法。
    三位主要作者來自美國西北大學和麻省理工學院，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，有意系統了解技術與模擬方法研究最前沿，本書是你的最佳選擇。
    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。
    如果你想致力於當前熱門的納米光子學、超材料、計算光子成像、生物光子學效應模擬、非旁軸空間光孤子傳播及其與納米尺度材料相互作用模擬、真空量子現象，包括納米光學顯微鏡和微晶元光刻計算建模等前沿技術領域，本書第8?20章為你詳盡介紹。
作者介紹
(美)艾倫·泰福勒//阿爾達凡·奧斯庫奧依//斯蒂芬·G.約翰松|譯者:劉佳琪//張生俊//王明亮//薛暉//艾夏等
目錄
第1章  三維交錯網格局域傅里葉基PSTD並行處理技術
  1.1  引言
  1.2  動機
  1.3  局域傅里葉基與重疊區域分解
  1.4  SL-PSTD技術的關鍵特徵
    1.4.1  局域傅里葉基FFT
    1.4.2  吉布斯現象偽影的缺失
  1.5  介質系統的時間步進關係式
  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係式
  1.8  消除近場向遠場變換的數值誤差
  1.9  在分佈存儲巨型計算集群上的實現
  1.10  SL-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
  2.4  PML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
    2.5.3  PML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
  3.2  FDTD精確TF/SF公式的推導
  3.3  基本TF/SF公式
  3.4  TF/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  模擬實例
  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
    4.4.4  FDTD中的LDOS計算
    4.4.5  LDOS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
  4.6  超級元胞中的源
  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
  5.3  PML複數坐標拉伸基礎
  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
  5.8  PML對斜波導的失效
  5.9  總結和結論
  附錄5A：PML複數坐標拉伸基礎學習指南
  5A.1  波動方程
  5A.2  複數坐標拉伸
  5A.3  PML例子
  5A.4  非均勻介質的PML
  5A.5  用於倏逝波的PML
  附錄5B：需要的輔助變數
  附錄5C：光子晶體中的PML
  5C.1  pPML的電導率型面
  5C.2  耦合模態理論
  5C.3  收斂性分析
  5C.4  離散系統中的絕熱理論
  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模擬
  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
  7.2  Delta方法：通用多變數函數均值
  7.3  Delta方法：通用多變數函數方差
  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  有源等離激元的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：彎曲等離激元表面鋸齒化的優化
  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
  10.3  FDTD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：?啶分子拉曼光譜
    10.8.1  孤立?啶分子

    10.8.2  與20nm銀納米球相鄰的?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
  11.2  FDTD技術中的不變性原理
  11.3  FDTD技術中的相對論原理
  11.4  計算坐標系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  使用計算坐標系的基矢量表示麥克斯韋方程組
  11.6  通過在計算坐標系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  橢圓柱形斗篷的FDTD表述
    12.3.1  對角化
    12.3.2  將本征值映射到色散模型
    12.3.3  FDTD離散
  12.4  橢圓柱形斗篷的模擬結果
  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  具有負群速的載入傳輸線的瞬態響應
    13.3.1  公式表述
    13.3.2  數值模擬參數與結果
  13.4  平面各向異性超材料網格
    13.4.1  公式
    13.4.2  數值模擬參數與結果
  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  用於模擬具有等離激元單元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技術分析亞波長等離激元光子晶體
  13.13  總結與結論
  參考文獻
  精選讀物
第14章  採用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  光學成像系統的整體結構
  14.4  照射子系統
    14.4.1  相干照射
    14.4.2  非相干照射
  14.5  散射子系統
  14.6  採集子系統
    14.6.1  傅里葉分析
    14.6.2  格林函數形式體系
  14.7  重聚焦子系統
    14.7.1  滿足阿貝正弦條件的光學系統
    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
第15章  採用FDTD方法計算光刻技術
  15.1  引言
    15.1.1  解析度
    15.1.2  解析度提高
  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  矽片
    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
    15.4.1  FDTD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
    15.4.5  FDTD網格
    15.4.6  並行化
  15.5  FDTD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
    15.5.3  Hopkins近似
  15.6  極紫外(Extreme ultraviolet)光刻的FDTD建模
    15.6.1  EUVL曝光系統
    15.6.2  EUV絲網
    15.6.3  EUVL掩模建模
    15.6.4  使用傅里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
第16章  FDTD和PSTD在生物光子學中的應用
  16.1  引言
  16.2  FDTD模型應用
    16.2.1  脊椎動物視桿
    16.2.2  單個細胞角散射響應
    16.2.3  癌前宮頸細胞
    16.2.4  後向散射特徵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里葉基PSTD技術概述
  16.4  PSTD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
    17.4.1  Lorentz線性色散
    17.4.2  Kerr非線性效應

    17.4.3  Raman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
  17.5  TM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
  17.6  GVADE 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  與薄等離激元薄膜的相互作用
  17.7  小結
  參考文獻
第18章  黑體輻射和耗散開放系統中電磁擾動的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  真空中的模擬
  18.5  開腔的模擬
    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軟體包
  20.1  引言
    20.1.1  可替代的計算工具
    20.1.2  Meep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以及准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  抽象與性能
    20.7.1  內循環優先性
    20.7.2  時間步進和緩存平衡
    20.7.3  塊中循環抽象
  20.8  概括和結論
  參考文獻
縮略語和常用符號
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