Metody Obliczeniowe Mikrooptyki i Fotoniki

Podobne dokumenty
Metody Obliczeniowe Mikrooptyki i Fotoniki. Podstawy metody różnic skończonych Podstawy metody FDTD

Metody Obliczeniowe Mikrooptyki i Fotoniki. Metoda propagacji wiązki BPM Modelowanie propagacji

Wykład 12: prowadzenie światła

y i b) metoda różnic skończonych nadal problem nieliniowy 2 go rzędu z warunkiem Dirichleta

Metody Obliczeniowe Mikrooptyki i Fotoniki

Fotonika. Plan: Wykład 3: Polaryzacja światła

Fotonika. Plan: Wykład 9: Interferencja w układach warstwowych

Całkowanie numeryczne

Wykład Ćwiczenia Laboratorium Projekt Seminarium 45

Efekt naskórkowy (skin effect)

Metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych

1 Płaska fala elektromagnetyczna

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

Wykład 6: Reprezentacja informacji w układzie optycznym; układy liniowe w optyce; podstawy teorii dyfrakcji

13 Równanie struny drgającej. Równanie przewodnictwa ciepła.

Metody Obliczeniowe Mikrooptyki i Fotoniki

Spis treœci. Wstêp... 9

Wykłady 10: Kryształy fotoniczne, fale Blocha, fotoniczna przerwa wzbroniona, zwierciadła Bragga i odbicie omnidirectional

Skład i wilgotność betonu komórkowego jako czynniki wpływające na skuteczność systemów komunikacji bezprzewodowej w budynkach

Lp Temat Opis Opiekun

Metody Obliczeniowe w Nauce i Technice

Metody Obliczeniowe Mikrooptyki i Fotoniki

Przedmowa do wydania drugiego Konwencje i ważniejsze oznaczenia... 13

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

Informacja o przestrzeniach Sobolewa

x y

Rozwiązywanie równań nieliniowych

Podpis prowadzącego SPRAWOZDANIE

Równania różniczkowe cząstkowe drugiego rzędu

Fale elektromagnetyczne

Symulacja przepływu ciepła dla wybranych warunków badanego układu

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Spis treści. Wykaz ważniejszych oznaczeń. Przedmowa 15. Wprowadzenie Ruch falowy w ośrodku płynnym Pola akustyczne źródeł rzeczywistych

WYDZIAŁ PODSTAWOWYCH PROBLEMÓW TECHNIKI KARTA PRZEDMIOTU

Rachunek różniczkowy i całkowy 2016/17

Lp Temat Opis Opiekun

- Strumień mocy, który wpływa do obszaru ograniczonego powierzchnią A ( z minusem wpływa z plusem wypływa)

Zagdanienia do egzaminu z Inżynierskich Metod Numerycznych - semestr 1

Metoda Różnic Skończonych (MRS)

Wykład 8 ELEKTROMAGNETYZM

Obliczenia inspirowane Naturą

Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 12, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

Elektrodynamika Część 6 Elektrodynamika Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

PORÓWNANIE WYBRANYCH SCHEMATÓW RÓŻNICO- WYCH NA PRZYKŁADZIE RÓWNANIA SELECTED DIFFERENTIAL SCHEMES COMPARISON BY MEANS OF THE EQUATION

Fotonika kurs magisterski grupa R41 semestr VII Specjalność: Inżynieria fotoniczna. Egzamin ustny: trzy zagadnienia do objaśnienia

Elektrostatyka, cz. 1

Elementy równań różniczkowych cząstkowych

Metody rozwiązania równania Schrödingera

Księgarnia PWN: David J. Griffiths - Podstawy elektrodynamiki

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

III. Opis falowy. /~bezet

Metoda różnic skończonych dla

Promieniowanie dipolowe

Definicja punktu wewnętrznego zbioru Punkt p jest punktem wewnętrznym zbioru, gdy należy do niego wraz z pewnym swoim otoczeniem

Metoda rozdzielania zmiennych

Fizyka 12. Janusz Andrzejewski

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 6, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Fala elektromagnetyczna o określonej częstotliwości ma inną długość fali w ośrodku niż w próżni. Jako przykłady policzmy:

Pole elektrostatyczne

Równania różniczkowe cząstkowe. Wojciech Szewczuk

Równania Maxwella redukują się w przypadku statycznego pola elektrycznego do postaci: D= E

Elektrodynamika. Część 6. Elektrodynamika. Ryszard Tanaś. Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Równania Maxwella. Wstęp E B H J D

Elektrodynamika Część 8 Fale elektromagnetyczne Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Funkcje dwóch zmiennych, pochodne cząstkowe

Model oscylatorów tłumionych

Jednowymiarowa mechanika kwantowa Rozpraszanie na potencjale Na początek rozważmy najprostszy przypadek: próg potencjału

Zagdanienia do egzaminu z Inżynierskich Metod Numerycznych - semestr zimowy 2017/2018

Podstawy elektrodynamiki / David J. Griffiths. - wyd. 2, dodr. 3. Warszawa, 2011 Spis treści. Przedmowa 11

Metody numeryczne równań różniczkowych zwyczajnych

Różne reżimy dyfrakcji

ANALIZA MATEMATYCZNA

Aerodynamika I. wykład 2: 2: Skośne fale uderzeniowe iifale rozrzedzeniowe. POLITECHNIKA WARSZAWSKA - wydz. Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa

Fale elektromagnetyczne

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Kwantowa wariacyjna metoda Monte Carlo. Problem własny dla stanu podstawowego układu N cząstek

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Solitony i zjawiska nieliniowe we włóknach optycznych

Politechnika Wrocławska, Wydział Informatyki i Zarządzania. Modelowanie

Wpływ struktury cegieł klinkierowych oraz ich konduktywności na wartości pola elektrycznego

) I = dq. Obwody RC. I II prawo Kirchhoffa: t = RC (stała czasowa) IR V C. ! E d! l = 0 IR +V C. R dq dt + Q C V 0 = 0. C 1 e dt = V 0.

Podstawy elektromagnetyzmu. Wykład 2. Równania Maxwella

Równanie Fresnela. napisał Michał Wierzbicki

Projekt 6: Równanie Poissona - rozwiązanie metodą algebraiczną.

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

Wyznaczanie parametrów linii długiej za pomocą metody elementów skończonych

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

Równania Maxwella. roth t

ZASTOSOWANIE RACHUNKU OPERATORÓW MIKUS- IŃSKIEGO W PEWNYCH ZAGADNIENIACH DYNAMIKI KONSTRUKCJI

Rozdział XV CAŁKI KRZYWOLINIOWE. CAŁKA STIELTJESA

Tworzenie macierzy pełnych Generowanie macierzy pełnych Funkcje przekształcające macierze pełne

LOKALNA APROKSYMACJA POCHODNYCH Z UŻYCIEM NIEREGULARNIE ROZMIESZCZONYCH WĘZŁÓW LOCAL APPROXIMATION OF DERIVATIVES USING SCATTERED NODES

[ P ] T PODSTAWY I ZASTOSOWANIA INŻYNIERSKIE MES. [ u v u v u v ] T. wykład 4. Element trójkątny płaski stan (naprężenia lub odkształcenia)

Metody Numeryczne w Budowie Samolotów/Śmigłowców Wykład I

Wprowadzenie do optyki nieliniowej

Analiza wpływu średnicy zbrojenia, rozstawu pomiędzy prętami oraz parametrów elektrycznych betonu na wartości natężenia pola elektrycznego

Układy równań nieliniowych (wielowymiarowa metoda Newtona-Raphsona) f(x) = 0, gdzie. dla n=2 np.

Motywacja Podstawy. Historia Teoria 2D PhC Podsumowanie. Szymon Lis Photonics Group C-2 p.305. Motywacja.

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 12, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Równania różniczkowe zwyczajne: problem brzegowy [1D]

Transkrypt:

Metody Obliczeniowe Mikrooptyki i Fotoniki https://www.igf.fuw.edu.pl/pl/courses/lectures/metody-obliczen-95-021c/ Podstawy metody różnic skończonych (Basics of finite-difference methods) Podstawy metody FDTD (Basics of the Finite-Difference Time-Domain method) M. N. Sadiku, Numerical Techniques in Electromagnetics 2nd Ed., CRC Press 2001 A. Taflove, S. Hagnes Computational Electrodynamics The Finite-Difference Time Domain Method, Artech House, 2005

Metoda różnic skończonych (Finite difference method) ^L Φ=0 1. Dyskretyzacja: Φ(r, t) Φ n Φ(r n,t n ) (Discretisation) 2. Zamiana równania różniczkowego na różnicowe (Changing the differential equation into a finite difference equation) Aproksymacja pochodnych ilorazem różnicowym (lub wyrażeniami wyższego rzędu): d f d x =lim x 0 f x x f x x 2 x 3. Rozwiązanie równania różnicowego z uwzględnieniem warunków początkowych i brzegowych (Solving the finite difference equation taking into account the initial and bounndary conditions)

Klasyfikacja obszaru rozwiązań Obszar rozwiązań można często powiązać z podziałem równań cząstkowych drugiego rzędu na r. eliptyczne, paraboliczne i hiperboliczne

Klasyfikacja równań Cząstkowe równanie różniczkowe liniowe drugiego rzędu: Klasyfikacja:

Klasyfikacja warunków brzegowych Warunek Dirichleta: r=0 Warunek Neumanna: Warunek mieszany: r n =0 r n h rr =0

Różnicowa aproksymacja pochodnych Górny iloraz różnicowy: f ' x 0 f x 0 x f x 0 x Centralny iloraz różnicowy: f ' x 0 f x x f x 0 0 x 2 x Dolny iloraz różnicowy: f ' x 0 f x f x 0 0 x

Druga pochodna Z 3-krotnego zastosowania wzoru na centralny iloraz różnicowy dostajemy: f ' x 0 x/2 f x 0 x f x 0 x f ' ' x 0 f ' x 0 x / 2 f ' x 0 x / 2 x f ' ' x 0 f x x 2f x f x 0 0 0 x x 2 f ' x 0 x/ 2 f x f x 0 0 x x

Dokładność aproksymacji pochodnej Rozwinięcie funkcji w szereg Taylora: f x 0 x= n=0 = f x 0 x f ' x 0 N 1 x n x2 2! n! f ' ' x 0 f n x 0 O x N = x3 3! f 3 x 0 O x N

Dokładność aproksymacji pochodnej Rozwinięcie funkcji w szereg Taylora: (I) (II) f x 0 x= n=0 N 1 x n n! Przykład: rozwinięcie 2 rzędu: f n x 0 O x N x2 f x 0 x= f x 0 x f ' x 0 f ' ' x 0 O x 3 2! x 2 f x 0 x= f x 0 x f ' x 0 f ' ' x 0 O x 3 2! Wyrażenie na pierwszą pochodną: f x 0 x f x 0 x = f ' x 0 O x 2 2 x (I)-(II) : (Dokładność rozwinięcia)

Dokładność aproksymacji pochodnej Rozwinięcie funkcji w szereg Taylora: (I) (II) N 1 x n f x 0 x= n=0 n! Przykład: rozwinięcie 3 rzędu: f n x 0 O x N x2 f x 0 x= f x 0 x f ' x 0 2! x 2 f x 0 x= f x 0 x f ' x 0 2! x 3 f ' ' x 0 f 3 x 0 O x 4 3! x3 f ' ' x 0 f 3 x 0 O x 4 3! Wyrażenie na drugą pochodną: (I)+(II): f x 0 x 2f x 0 f x 0 x x 2 = f ' ' x 0 O x 2 (Dokładność rozwinięcia)

Ogólna metoda wyprowadzenia wyrażeń wyższego rzędu Układ N równań: i=1n na N niewiadomych: { f 1 x 0, f 2 x 0, f N x 0 } f x 0 i x = n=0 N 1 i n x n n! f n x 0 O i x N f = A f r

Dokładność aproksymacji pochodnej M. Sadiku, Numerical Techniques in Electrodynamics CRC Press LLC 2001

Metody Obliczeniowe Mikrooptyki i Fotoniki Podstawy metody FDTD Algorytm FDTD w jednym wymiarze Warunki brzegowe PML w jednym wymiarze Symulacja źródła Algorytm FDTD w 3 wymiarach Wygładzanie nieciągłości przenikalności elektrycznej

FDTD (finite difference time domain method) metoda różnic skończonych zastosowana do równań Maxwella z czasem Prawa Faradaya i Ampera-Maxwella posłużą do wyprowadzenia kroku iteracyjnego dla ewolucji pól w czasie: E= 0 H t H= E 0 E t Pozostałe równania muszą być spełniane przez pole początkowe: (ϵ E)=ρ (μ H )=0 (wszystkie pola rzeczywiste i zależne od czasu )

FDTD przypadek 1-wymiarowy H z x,t, E y x,t E= μ 0 μ H t H=σ E+ϵ 0 ϵ E t W przypadku jednowymiarowym, otrzymujemy równoważne sobie niezależne równania dla dwóch polaryzacji H y = 1 t 0 E z x H z = 1 t 0 E y x E y t = ϵ 1 0 ϵ ( σ E y H ) z x H y x, t, E z x,t E z t = 1 ϵ 0 ϵ ( σ E z + H y x )

FDTD przypadek jednowymiarowy H z t = 1 0 E y x m 1/2 E y t = 1 ϵ 0 ϵ ( σ E y H z x ) n 1/ 2 m 1 /2 H z n 1 /2 n n n1/ 2 m 1 /2 H z n1 /2 n 1/2 n n1/ 2 x[ x] x t m m E y n 1 E y n m m E y n1 x m1/2 m1 /2 H z n 1 /2 m1 /2 H z n1 /2 x x t[ t]

FDTD przypadek jednowymiarowy H z = 1 t 0 E y x Dyskretyzacja (E y ) n m =E y ( nδ x, m δ t ) m 1/ (H z ) 2 n 1/ 2 =H z ((n 1/2)δ x,(m 1/2) δ t ) μ n 1/ 2 =μ((n 1/ 2)δ x) m+1/ (H z ) 2 m 1/ 2 n 1/2 (H z ) n 1/2 = (μ δ t 0 μ n 1/ 2 ) 1 (E ) m m y n (E y ) n 1 δ x (Centralne ilorazy różnicowe) m+1/ (H z ) 2 m 1/ n 1/ 2 =( H z ) 2 n 1/ 2 + δ t ((E δ x μ 0 μ y ) m n 1 n 1/2 m (E y ) n )

FDTD przypadek jednowymiarowy E y t = ϵ 1 0 ϵ ( σ E H ) z y x Dyskretyzacja (E y ) n m+1 (E y ) n m δ t E y m n =E y n x, m t m 1 H z /2 n 1 /2 =H z n 1/2 x, m 1/2 t n =n x n = n x ( =(ϵ 0 ϵ n ) 1 σ (E y ) m+1 m n +(E y ) n n 2 (Centralne ilorazy różnicowe) (Średnia) E y n m1/ 2 (H ) m+1/ 2 m+1/ 2 (H z n+1 / 2 z ) n 1/ 2 ) δ x E y n m1 = 1 t n 0 n E m y n t m1/ H x 0 z 2 m1/ n 1/ 2 H z n1/2 2O 3 n

FDTD przypadek jednowymiarowy Opis układu: { 1/ 2, 3/2, N 1/ 2 } { 0, 1, N } { 0, 1, N } x, t Warunki początkowe: {E y 0 0,E y 0 1, E y N0 } Warunki brzegowe, np. m1 {H z /2 1 /2 =0, H z N 1/ 2 Krok iteracyjny: m1 H z /2 m 1/ n1 /2 {H z 2 n1/ 2,E y m n,e y n1 {H z 1/2 1/ 1/2,H z 2 3/ 2, H z N 1/ 2 m1 /2 =0 } {E y 0 m =0,E y N m =0 } (PMC doskonały przewodnik magn.) m } m1/ 2 } E y m1 n { E y m m1 n,h z /2 n 1 /2, H z n1/ 2 1/2 } (PEC doskonały przewodnik) n=0n 1 n=0n

Dygresja jednostki znormalizowane Układ SI: Niefizyczna przewodniość magnetyczna E= M H 0 H H= E 0 E t t t'=ct=t / 0 0 H '= 0 H '= 0 M '= 1 0 M 0 = 0 / 0 377 (impedancja próżni) W nowym zapisie nie występują przenikalności próżni. Dodatkowo te same jednostki mają pola E i H', obie przewodniości, a także x i t': E= M ' H ' H ' t ' H'= ' E E t '

Algorytm 1-wymiarowy w tej postaci wymaga 4 mnożeń / krok / komórkę. Dla sytuacji 3-wymiarowej będzie to 12 mnożeń. FDTD przypadek jednowymiarowy E y t' = 1 H ' y z x ' E H z ' = 1 t ' E y x ' H ' M z = m1/ H z ' 2 1 t ' ' M n 1/2 n 1/ 2 n 1/2 H ' m 1/2 z n 1 /2 t ' x n 1/ 2 E y n 1 m E y n m O 3 E y n m1 = 1 t ' n ' n E m y n t ' m1/ H x z ' 2 m1/2 n 1/ 2 H z ' n1 /2 O 3 n

FDTD przypadek jednowymiarowy σ M '=0, μ=1, ~ E δ t ' δ x E m1/ H z ' 2 m 1/ n 1/ 2 =H z ' 2 n 1/ 2 E y m m n 1 E y n E y n m1 = 1 t ' n ' n E y m n t ' 2 m1/ H x 2 z ' 2 m1/2 n 1/ 2 H z ' n1/2 n A n B n Algorytm jednowymiarowy dla materiałów niemagnetycznych wymaga jedynie 2 mnożeń / krok / komórkę!!! Ta sama operacja dla sytuacji 3-wymiarowej prowadzi do 6 mnożeń.

Idealne sztuczne warunki brzegowe: pochłaniające i nieodbijające PEC Obszar symulacji 1, 1 2, 2 PEC x Brak odbić Tłumienie 2, 2 =?

Dygresja: dopasowanie impedancji PEC 1, 1 2, 2 PEC x Odbicie prostopadłe (TE i TM, zapis zespolony, dla fali monochromatycznej): R= n / n / 2 2 1 1 T= 2 n / 1 1 n 2 / 2 n 1 / 1 n 2 / 2 n 1 / 1 R=0 gdy n 2 / 2 =n 1 / 1 = 0 1 0 2 Warunkiem braku odbicia od granicy ośrodków jest równość 0 1 0 2 impedancji: 1 2

Dygresja: dopasowanie impedancji 0 1 0 1 = 0 2 0 2 2 2 = 1 1 Wracamy do zapisu rzeczywistego: i = i ' 0 k 0 i M = i ' M 0 k 0 t =Re exp±i t '= 0 M '= 1 0 M k 0 =/ c

Nieodbijające warunki brzegowe 1, 1 1 '=0 '=0 M 1 2, 2 PEC x L Współczynnik odbicia: r 2 =exp k 0 Im n 2 2L 2 2 '= ln r 2 4 L 1 / 1 n 2 = ϵ 2 μ 2 = μ 1 /ϵ 1 (ϵ 2 +i σ 2 ' / k 0 )

Zadania Metoda FDTD (finite difference time domain) Zadanie 1. Napisać funkcję opartą na metodzie FDTD w 1 wymiarze służącą do symulacji ewolucji pola elektrycznego i magnetycznego w czasie. a. Przyjąć, że obszar symulacji ograniczony jest doskonałym przewodnikiem. b. Przyjąć, że obszar symulacji ograniczony jest nieodbijającym i stratnym materiałem (1-wymiarowy PML). c. Wprowadzić do obszaru symulacji pole początkowe odpowiadające impulsowi d. Włączyć w obszar symulacji źródło sztywne (bądź SF/TF). Zadanie 2. Wykonać propagację impulsu oraz fali monochromatycznej dla wybranych sytuacji, np. - dla propagacji w przestrzeni swobodnej - dla rozpraszania na granicy ośrodków - dla odbicia od materiału z naniesioną powłoka antyodbiciową - dla rezonansowego odbicia i transmisji przez płytkę FP. -przeanalizować odbicie od siatki Bragga dla długości fali spoza przerwy wzbronionej, ze środka przerwy i z brzegu przerwy -przeanalizować odbicie fali od ośrodka o ujemnej przenikalności elektrycznej (metalu), a następnie rezonansową transmisję przez układ dwóch metalowych zwierciadeł o wysokich współczynnikach odbicia - wykonać symulację propagacji przez ośrodek periodyczny (fale Blocha) (niekoniecznie z periodycznymi warunkami brzegowymi).