光力和光热效应的有限元分析方法研究

发布时间：2024-03-02 12:01

　　随着纳米光学器件制备工艺的发展和成熟,光镊和光通信等技术得以在更广泛的领域中得到应用,因此对光学及其相关领域的物理仿真也具有了更重要的意义。考虑到光具有电磁波的特性,本文将计算电磁学中的有限元法(Finite Element Method,FEM)用于光学计算领域,结合麦克斯韦应力张量(Maxwell Stress Tensor,MST)和热传导方程,实现对目标物体的多物理场耦合现象的仿真。首先,给出光的电磁场表征形式并通过基本几何单元剖分整个仿真区域,基于变分原理离散麦克斯韦微分方程组。在确定边界条件后,通过构造并求解有限元矩阵,可以获得空间电磁场分布的近似数值解。四面体剖分和矢量基函数使得FEM具有良好的适应性,可以对任意形状任意材料属性的结构进行仿真。然后,通过MST建立起电磁场与机械动量之间的转化。通过确定包围目标物体的闭合曲面,并对该曲面上的MST做面积分,可以得到目标物体所受的光力。光力的仿真常用于对光镊尤其是表面等离激元(Surface Plasmon,SP)光镊进行分析。SP光镊在局部空间形成极为显著的电场增强,陡峭的电场梯度产生的梯度力可以用于对纳米尺度粒子的捕获。最...

【文章页数】：67 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 研究现状
        1.2.1 光力应用
        1.2.2 光热效应
    1.3 本文的结构安排
第二章 有限元分析的基本原理
    2.1 有限元法的基本步骤
        2.1.1 几何剖分
        2.1.2 变分原理
        2.1.3 插值函数
        2.1.4 边界条件
    2.2 光力计算的基本原理
        2.2.1 电磁场的求解方法
        2.2.2 洛伦兹力法
        2.2.3 麦克斯韦应力张量法
    2.3 光热效应的基本原理
        2.3.1 传热方程
        2.3.2 热学边界条件
    2.4 本章小结
第三章 光力的有限元分析方法
    3.1 光源的数值近似
        3.1.1 有限元法的加源形式
        3.1.2 傍轴近似高斯光束
        3.1.3 高阶近似高斯光束
    3.2 应力张量的表征
        3.2.1 高斯积分
        3.2.2 张量的有限元形式
    3.3 光力仿真结果
        3.3.1 纳米银胶囊
        3.3.2 红细胞模型
        3.3.3 金属涂敷介质球
    3.4 光镊捕获仿真结果
        3.4.1 金球二聚体
        3.4.2 纳米金圆台
    3.5 本章小结
第四章 光热效应的有限元分析方法
    4.1 稳态光热效应
    4.2 瞬态光热效应
        4.2.1 时域差分近似
        4.2.2 时域传热方程
    4.3 光热效应仿真结果
        4.3.1 纳米金粒子
        4.3.2 金属-介质-金属波导
        4.3.3 混合波导
    4.4 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 全文总结
    5.2 后续工作及展望
参考文献
附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文
附录2 攻读硕士学位期间申请的专利
附录3 攻读硕士学位期间参加的科研项目
致谢



本文编号：3916831