隨著納米光學器件制備工藝的發(fā)展和成熟,光鑷和光通信等技術(shù)得以在更廣泛的領(lǐng)域中得到應用,因此對光學及其相關(guān)領(lǐng)域的物理仿真也具有了更重要的意義。考慮到光具有電磁波的特性,本文將計算電磁學中的有限元法(Finite Element Method,FEM)用于光學計算領(lǐng)域,結(jié)合麥克斯韋應力張量(Maxwell Stress Tensor,MST)和熱傳導方程,實現(xiàn)對目標物體的多物理場耦合現(xiàn)象的仿真。首先,給出光的電磁場表征形式并通過基本幾何單元剖分整個仿真區(qū)域,基于變分原理離散麥克斯韋微分方程組。在確定邊界條件后,通過構(gòu)造并求解有限元矩陣,可以獲得空間電磁場分布的近似數(shù)值解。四面體剖分和矢量基函數(shù)使得FEM具有良好的適應性,可以對任意形狀任意材料屬性的結(jié)構(gòu)進行仿真。然后,通過MST建立起電磁場與機械動量之間的轉(zhuǎn)化。通過確定包圍目標物體的閉合曲面,并對該曲面上的MST做面積分,可以得到目標物體所受的光力。光力的仿真常用于對光鑷尤其是表面等離激元(Surface Plasmon,SP)光鑷進行分析。SP光鑷在局部空間形成極為顯著的電場增強,陡峭的電場梯度產(chǎn)生的梯度力可以用于對納米尺度粒子的捕獲。最...

【文章頁數(shù)】：67 頁

【學位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 研究現(xiàn)狀
        1.2.1 光力應用
        1.2.2 光熱效應
    1.3 本文的結(jié)構(gòu)安排
第二章 有限元分析的基本原理
    2.1 有限元法的基本步驟
        2.1.1 幾何剖分
        2.1.2 變分原理
        2.1.3 插值函數(shù)
        2.1.4 邊界條件
    2.2 光力計算的基本原理
        2.2.1 電磁場的求解方法
        2.2.2 洛倫茲力法
        2.2.3 麥克斯韋應力張量法
    2.3 光熱效應的基本原理
        2.3.1 傳熱方程
        2.3.2 熱學邊界條件
    2.4 本章小結(jié)
第三章 光力的有限元分析方法
    3.1 光源的數(shù)值近似
        3.1.1 有限元法的加源形式
        3.1.2 傍軸近似高斯光束
        3.1.3 高階近似高斯光束
    3.2 應力張量的表征
        3.2.1 高斯積分
        3.2.2 張量的有限元形式
    3.3 光力仿真結(jié)果
        3.3.1 納米銀膠囊
        3.3.2 紅細胞模型
        3.3.3 金屬涂敷介質(zhì)球
    3.4 光鑷捕獲仿真結(jié)果
        3.4.1 金球二聚體
        3.4.2 納米金圓臺
    3.5 本章小結(jié)
第四章 光熱效應的有限元分析方法
    4.1 穩(wěn)態(tài)光熱效應
    4.2 瞬態(tài)光熱效應
        4.2.1 時域差分近似
        4.2.2 時域傳熱方程
    4.3 光熱效應仿真結(jié)果
        4.3.1 納米金粒子
        4.3.2 金屬-介質(zhì)-金屬波導
        4.3.3 混合波導
    4.4 本章小結(jié)
第五章 總結(jié)與展望
    5.1 全文總結(jié)
    5.2 后續(xù)工作及展望
參考文獻
附錄1 攻讀碩士學位期間撰寫的論文
附錄2 攻讀碩士學位期間申請的專利
附錄3 攻讀碩士學位期間參加的科研項目
致謝



本文編號：3916831