本书系统介绍光与纳米尺度、三维(3D)材料结构相互作用仿真建模最有效的麦克斯韦方程组数值求解方法。
三位主要作者来自美国西北大学和麻省理工学院，是业界巨擘、FDTD先驱者、Meep开发者；各章节的作者来自全球，是相关领域研究的先驱者及佼佼者。
如果你从事光子学和纳米技术各领域最前沿的学术研究和工程设计，有意系统了解技术与仿真方法研究最前沿，本书是你的最佳选择。
如果你想了解FDTD和PSTD技术的关键进展，本书第1～7章向你倾情展示。
如果你想致力于当前热门的纳米光子学、超材料、计算光子成像、生物光子学效应仿真、非旁轴空间光孤子传播及其与纳米尺度材料相互作用仿真、真空量子现象，包括纳米光学显微镜和微芯片光刻计算建模等前沿技术领域，本书第8～20章为你详尽介绍。
第1章 三维交错网格局域傅里叶基PSTD并行处理技术
1.1 引言
1.2 动机
1.3 局域傅里叶基与重叠区域分解
1.4 SL-PSTD技术的关键特征
1.4.1 局域傅里叶基FFT
1.4.2 吉布斯现象伪影的缺失
1.5 介质系统的时间步进关系式
1.6 消除单频激励的相速度数值误差
1.7 理想匹配层吸收外部边界的时间步进关系式
1.8 消除近场向远场变换的数值误差
1.9 在分布存储巨型计算集群上的实现
1.10 SL-PSTD技术验证
1.10.1 平面波照射介质球的远场散射
1.10.2 双层同心电介质球中电偶极子的远场辐射
1.11 总结
参考文献
第2章 基于拉盖尔多项式的无条件稳定FDTD方法
2.1 引言
2.2 传统三维拉盖尔基FDTD方法的公式
2.3 高效三维拉盖尔基FDTD方法的表达形式
2.4 PML吸收边界条件
2.5 数值结果
2.5.1 平行板电容器：均匀三维网格
2.5.2 屏蔽的微带线：一维方向上的阶梯网格
2.5.3 PML吸收边界条件特性
2.6 总结与结论
参考文献
第3章 精确总场/散射场平面波源条件
3.1 引言
3.2 FDTD精确TF/SF公式的推导
3.3 基本TF/SF公式
3.4 TF/SF交界面上的电流源和磁流源
3.5 各向同性背景介质中入射平面波场
3.6 基本TF/SF公式的FDTD实现
3.7 构造FDTD精确TF/SF平面波源
3.8 精确TF/SF公式的FDTD离散平面波源
3.9 高效整数映射
3.10 边界条件和矢量平面波极化
3.11 必需的流密度Jinc和Minc
3.12 方法总结
3.13 仿真实例
3.14 讨论
参考文献
第4章 电磁波源条件
4.1 综述
4.2 入射场和等效电流
4.2.1 等效原理
4.2.2 等效电流的离散和色散
4.3 分离入射场和散射场
4.4 电流和场：局域状态密度
4.4.1 麦克斯韦本征问题与状态密度
4.4.2 辐射功率与谐振模式
4.4.3 辐射功率与LDOS
4.4.4 FDTD中的LDOS计算
4.4.5 LDOS中的Van Hove奇点
4.4.6 共振腔与珀塞尔(Purcell)增强
4.5 高效频率角度范围
4.6 超级元胞中的源
4.7 运动的源
4.8 热源
4.9 总结
参考文献
第5章 严格PML验证和用于各向异性色散媒质的修正不分裂PML
5.1 引言
5.2 背景
5.3 PML复数坐标拉伸基础
5.4 绝热吸收体和PML反射
5.5 区别正确和不正确的PML方法
5.6 各向异性PML方法的验证
5.7 截断各向异性色散介质的时域PML公式
5.8 PML对斜波导的失效
5.9 总结和结论
附录5A：PML复数坐标拉伸基础学习指南
5A.1 波动方程
5A.2 复数坐标拉伸
5A.3 PML例子
5A.4 非均匀介质的PML
5A.5 用于倏逝波的PML
附录5B：需要的辅助变量
附录5C：光子晶体中的PML
5C.1 pPML的电导率型面
5C.2 耦合模态理论
5C.3 收敛性分析
5C.4 离散系统中的绝热理论
5C.5 关于更好的吸收体
参考文献
所选书目
第6章 基于亚像素平滑的不连续媒质精确FDTD仿真
6.1 引言
6.2 介质边界结构
6.3 各向同性媒质边界的介电常数平滑
6.4 场分量插值实现数值稳定
6.5 各向同性媒质边界的收敛性研究
6.6 各向异性媒质边界的介电常数平滑
6.7 各向异性媒质边界时的收敛性研究
6.8 结论
附录6A： 导出亚像素方法的微扰技术概述(详细推导参见文献［7］)
参考文献
第7章 电磁场统计变化分析的随机FDTD
7.1 引言
7.2 Delta方法：通用多变量函数均值
7.3 Delta方法：通用多变量函数方差
7.4 场方程
7.5 场方程：平均值近似
7.6 场方程：方差近似
7.6.1 磁场方差
7.6.2 电场方差
7.7 场和σ迭代的时序
7.8 层状生物组织算例
7.9 总结和结论
参考文献
第8章 有源等离激元的FDTD模拟
8.1 引言
8.2 计算模型简介
8.3 金属的洛伦兹—特鲁德模型
8.4 直接带隙半导体模型
8.5 数值结果
8.5.1 泵浦平行板波导对175fs光脉冲的放大
8.5.2 内嵌金纳米柱的无源圆盘形GaAs微腔的谐振偏移和辐射
8.6 总结
附录8A：金属光学性质的临界点模型
附录8B：弯曲等离激元表面锯齿化的优化
参考文献
外延资料
第9章 任意形状纳米结构非局域光学性质的FDTD计算
9.1 引言
9.2 理论方法
9.3 金的介电函数
9.4 计算设置
9.5 数值验证
9.6 金纳米薄膜(一维系统)中的应用
9.7 金纳米线中的应用(二维系统)
9.8 球形金纳米颗粒中的应用(三维系统)
9.9 总结与展望
附录9A：非局域FDTD方法
参考文献
第10章 分子光学特性计算中经典电动力学与量子力学的耦合
RTTDDFT/FDTD方法
10.1 引言
10.2 实时时变密度函数理论
10.3 FDTD基础
10.4 量子力学/经典电动力学混合
10.5 任意极化光照射下，颗粒耦合染料分子的光学性能评估
10.6 数值结果1：直径20nm银纳米球的散射响应函数
10.7 数值结果2：N3染料分子的光吸收谱
10.7.1 孤立N3染料分子
10.7.2 与20nm银纳米球相邻的N3染料分子
10.8 数值结果3：吡啶分子拉曼光谱
10.8.1 孤立吡啶分子
10.8.2 与20nm银纳米球相邻的吡啶分子
10.9 总结和讨论
参考文献
第11章 变换电磁学激发的FDTD方法进展
11.1 引言
11.2 FDTD技术中的不变性原理
11.3 FDTD技术中的相对论原理
11.4 计算坐标系及其协变与逆变矢量基
11.4.1 协变与逆变基矢量
11.4.2 度量张量(Metric Tensor)的协变与逆变分量
11.4.3 矢量的协变与逆变表示
11.4.4 变换矢量到笛卡儿矢量基转换及反之
11.4.5 协变与逆变矢量基中的二阶张量
11.5 使用计算坐标系的基矢量表示麦克斯韦方程组
11.6 通过在计算坐标系中使用坐标平面强制边界条件
11.7 与人工材料设计的联系
11.7.1 简单材料的本构张量
11.7.2 人工材料的本构张量
11.8 时变离散
11.9 结论
参考文献
精选目录
第12章 非对角各向异性超材料斗篷的FDTD建模
12.1 引言
12.2 具有非对角介电常数张量的超材料的稳定FDTD模拟
12.3 椭圆柱形斗篷的FDTD表述
12.3.1 对角化
12.3.2 将本征值映射到色散模型
12.3.3 FDTD离散
12.4 椭圆柱形斗篷的模拟结果
12.5 总结与结论
参考文献
第13章 超材料结构的FDTD建模
13.1 引言
13.2 平面负折射透镜的瞬态响应
13.2.1 辅助差分方程公式
13.2.2 例证问题
13.3 具有负群速的加载传输线的瞬态响应
13.3.1 公式表述
13.3.2 数值仿真参数与结果
13.4 平面各向异性超材料网格
13.4.1 公式
13.4.2 数值仿真参数与结果
13.5 实现超材料结构的周期性几何结构
13.6 正弦—余弦方法
13.7 平面负折射传输线的色散分析
13.8 阵列扫描与正弦—余弦方法的耦合
13.9 阵列扫描法在点源平面正折射传输线上的应用
13.10 阵列扫描方法用于平面微波“完美透镜
13.11 用于模拟具有等离激元单元的光学超材料的三角网格FDTD技术
13.11.1 公式与更新方程
13.11.2 周期边界条件的实现
13.11.3 稳定性分析
13.12 使用三角形FDTD技术分析亚波长等离激元光子晶体
13.13 总结与结论
参考文献
精选读物
第14章 采用FDTD方法计算光学成像
14.1 引言
14.2 光学相关的基本原理
14.3 光学成像系统的整体结构
14.4 照射子系统
14.4.1 相干照射
14.4.2 非相干照射
14.5 散射子系统
14.6 采集子系统
14.6.1 傅里叶分析
14.6.2 格林函数形式体系
14.7 重聚焦子系统
14.7.1 满足阿贝正弦条件的光学系统
14.7.2 周期散射体
14.7.3 非周期散射体
14.8 实例：数值显微图像
14.8.1 在薄介质衬底上凸出的字母N和U
14.8.2 聚苯乙烯乳胶珠
14.8.3 空气中的接触聚苯乙烯微球对
14.8.4 人类面颊(口腔)细胞
14.9 总结
附录14A：方程(14.9 )的推导
附录14B：方程(14.38 )的推导
附录14C：方程式(14.94 )的推导
附录14D：使用平面波进行相干聚焦波束合成
参考文献
第15章 采用FDTD方法计算光刻技术
15.1 引言
15.1.1 分辨率
15.1.2 分辨率提高
15.2 投影光刻
15.2.1 光源
15.2.2 光学掩模
15.2.3 光刻透镜
15.2.4 硅片
15.2.5 光刻胶
15.2.6 部分干涉
15.2.7 干涉与偏振
15.3 计算光刻
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 光刻胶干涉成像
15.4 投影光刻的FDTD建模
15.4.1 FDTD的基本架构
15.4.2 平面波输入的引入
15.4.3 监控衍射级数
15.4.4 映射到入射光瞳
15.4.5 FDTD网格
15.4.6 并行化
15.5 FDTD的应用
15.5.1 电磁场对掩模形貌的作用
15.5.2 使薄掩模近似更具电磁场特性
15.5.3 Hopkins近似
15.6 极紫外(Extreme ultraviolet)光刻的FDTD建模
15.6.1 EUVL曝光系统
15.6.2 EUV丝网
15.6.3 EUVL掩模建模
15.6.4 使用傅里叶边界条件的混合技术
15.7 总结和结论
附录15A：远场掩模衍射
附录15B：聚焦场的德拜表示
附录15C：偏振张量
附录15D：最佳焦点
参考文献
第16章 FDTD和PSTD在生物光子学中的应用
16.1 引言
16.2 FDTD模型应用
16.2.1 脊椎动物视杆
16.2.2 单个细胞角散射响应
16.2.3 癌前宫颈细胞
16.2.4 后向散射特征信号对纳米尺度细胞变化的敏感性
16.2.5 单个细胞的线粒体聚集
16.2.6 多细胞聚焦光束传播
16.2.7 计算成像和显微术
16.2.8 利用光子纳米射流检测HT29结肠癌细胞中的
纳米尺度z轴特性
16.2.9 对生物媒质Born近似法的评价
16.3 麦克斯韦方程组的傅里叶基PSTD技术概述
16.4 PSTD和SL-PSTD建模应用
16.4.1 通过二维介质圆柱体大型团簇增强光的后向散射
16.4.2 三维增强后向散射中的深度分辨偏振各向异性
16.4.3 调整三维随机团簇中球形介电粒子的尺寸
16.4.4 针对浊度抑制的光学相位共轭
16.5 总结
参考文献
第17章 空间孤子的GVADE FDTD建模
17.1 引言
17.2 背景的分析和计算
17.3 非线性光的麦克斯韦—安培定律处理
17.4 一般矢量辅助微分方程法
17.4.1 Lorentz线性色散
17.4.2 Kerr非线性效应
17.4.3 Raman非线性色散
17.4.4 电场解
17.4.5 光学波长上金属的特鲁德(Drude)线性色散
17.5 TM空间孤子传播的GVADE FDTD法应用
17.5.1 单窄基本TM空间孤子
17.5.2 单宽过强TM空间孤子
17.5.3 共传输窄TM空间孤子的相互作用
17.6 GVADE FDTD在TM空间孤子散射中的应用
17.6.1 正方形亚波长空气孔的散射
17.6.2 与薄等离激元薄膜的相互作用
17.7 小结
参考文献
第18章 黑体辐射和耗散开放系统中电磁扰动的FDTD建模
18.1 引言
18.2 用FDTD方法研究扰动和耗散
18.3 将黑体辐射引入到FDTD网格
18.4 真空中的仿真
18.5 开腔的仿真
18.5.1 马尔科夫区域(τ＞＞τc)
18.5.2 非马尔科夫区域(τ～τc)
18.5.3 解析验证与比较
18.6 概括与展望
参考文献
第19章 任意形状媒质的卡西米尔力
19.1 引言
19.2 理论基础
19.2.1 应力—张量方程
19.2.2 复频域
19.2.3 时域方法
19.2.4 卡西米尔力的时域积分表述
19.2.5式(19.28 )中g(－t)的估值
19.3 根据谐波展开进行重构
19.4 数值研究1：三维配置的二维等效
19.5 数值研究2：色散介质材料
19.6 数值研究3：三维空间的柱对称
19.7 数值研究4：周期性边界条件
19.8 数值研究5：完整三维FDTD卡西米尔力计算
19.9 推广到非零温度
19.9.1 理论基础
19.9.2 时域T>0的综合
19.9.3 验证
19.9.4 推论
19.10 概括和结论
附录19A：柱坐标下的谐波展开
参考文献
第20章 Meep：灵活免费的FDTD软件包
20.1 引言
20.1.1 可替代的计算工具
20.1.2 Meep对于初值问题的求解
20.1.3 本章的结构
20.2 网格和边界条件
20.2.1 坐标和网格
20.2.2 网格区块与自有的点
20.2.3 边界条件和对称性
20.3 奔向连续空时建模的目标
20.3.1 亚网格平滑
20.3.2 场源插值
20.3.3 场输出的插值
20.4 材料
20.4.1 非线性材料
20.4.2 吸收边界层：PML、伪PML以及准PML
20.5 具备典型计算能力
20.5.1 计算通量谱
20.5.2 分析谐振模式
20.5.3 频域求解器
20.6 用户界面和脚本
20.7 抽象与性能
20.7.1 内循环优先性
20.7.2 时间步进和缓存平衡
20.7.3 块中循环抽象
20.8 概括和结论
参考文献
缩略语和常用符号
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