FDTD Modeling of Metamaterials pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Hao/ Mittra

出品人:

页数:250

译者:

出版时间:2008-11

价格:$ 168.37

装帧:

isbn号码:9781596931602

丛书系列:

图书标签:

• Electrodynamics
• Computational
• 材料学
• FDTD
• Metamaterials
• Electromagnetics
• Computational Electromagnetics
• Nanophotonics
• Optical Physics
• Material Science
• Simulation
• Modeling
• Photonics

好的，这是一份关于一本名为《FDTD Modeling of Metamaterials》的图书的详细简介，内容专注于该主题领域的关键方面，但不包含该特定书籍本身的详细章节内容或深度技术细节，而是侧重于该领域更广泛的研究背景、挑战和应用前景。 --- 书名：FDTD Modeling of Metamaterials 图书简介： 本书深入探讨了有限差分时域（FDTD）方法在超材料（Metamaterials）电磁特性模拟与设计中的应用。超材料作为一类人工设计的结构，其宏观电磁特性并非由其组成材料的本征性质决定，而是源于其精巧的亚波长结构单元——“超原子”或“超单元”（meta-atoms）。这种前所未有的电磁响应特性，如负折射率、超透镜效应以及对特定频率的强耦合，为电磁学、光学乃至更广阔的物理学领域带来了革命性的潜力。 本书旨在为研究人员、工程师以及高年级本科生和研究生提供一个坚实的理论框架与实践指导，用以理解和掌握如何利用计算电磁学中最强大、应用最广泛的数值技术之一——FDTD，来精确刻画和预测超材料的行为。 第一部分：理论基础与FDTD方法论 超材料的研究建立在对麦克斯韦方程组的深刻理解之上。本书首先回顾了电磁波在复杂介质中传播的基本原理，重点阐述了涉及负介电常数和负磁导率的非传统材料的本构关系。 FDTD方法作为求解瞬态电磁场问题的利器，其核心在于将连续的时域和空间域离散化，并用有限差分近似来求解麦克斯韦旋度方程。本书细致剖析了Yee网格的构建、时间步进的稳定性和精度控制（CFL条件），这是成功进行FDTD模拟的基石。对于超材料的模拟而言，处理其在亚波长尺度上的精细结构（如指状结构、螺旋结构或具有非均匀介质的单元）对网格划分的精度提出了极高要求。因此，对局部网格加密技术（如局部网格细化 LMR）的介绍至关重要，它允许我们在保持计算效率的同时，精确捕捉结构单元内部的场分布。 第二部分：超材料的建模挑战与FDTD的应对策略 超材料的复杂性主要体现在其组成结构的多样性和频率依赖性上。一个标准的FDTD模拟需要准确描述材料的电磁参数。对于超材料，这些参数往往是色散的（随频率变化）和非局域的。 本书重点讨论了如何将这些复杂的本构关系引入到标准的FDTD框架中。色散模型的引入是关键一步。无论是使用皮萨诺模型（Prony’s series）还是延迟差分方法（Auxiliary Differential Equation ADE, ADE-FDTD），都需要将材料的复介电常数或磁导率通过时域卷积形式表达出来。ADE-FDTD方法因其能够稳定处理高阶色散项的优势，成为模拟具有强共振特性的超材料，如等离子体金属纳米结构或磁性谐振器时常用的工具。 此外，对于涉及非线性或时变超材料的研究，标准的线性FDTD求解器需要进行升级。书中探讨了如何将材料的非线性项纳入差分方程的迭代求解过程，以及如何处理随时间变化的边界条件，以模拟例如通过外部光脉冲或电场调制来动态改变超材料特性的场景。 第三部分：仿真设置与关键性能评估 成功的超材料模拟不仅依赖于准确的数值方法，更依赖于合理的仿真环境设置。本书强调了边界条件的选择对结果准确性的决定性影响。对于无限大超材料结构的周期性研究，主/从边界条件（Master/Slave Boundary Conditions）或周期性边界条件（PBC）是模拟无限阵列的理想选择，它们能有效地模拟无限延伸的结构，避免边界反射的干扰。对于有限尺寸的超材料设备（如超表面、平板透镜），完美匹配层（PML）的应用和优化则是必须掌握的技能，以确保吸收外部辐射而不会产生虚假的反射。 在超材料的性能评估方面，本书侧重于如何从FDTD的输出——即时域电磁场数据——中提取出宏观的、可测量的光学参数。这包括但不限于：提取S参数、计算传输矩阵和反射矩阵，进而推导出有效的介电常数 ($epsilon_{ ext{eff}}$) 和磁导率 ($mu_{ ext{eff}}$)，以及计算局域的平均吸收率和功率流密度。 第四部分：前沿应用与计算效率 超材料的应用领域极为广泛，从低损耗的太赫兹（THz）器件到亚波长光学的超透镜，再到电磁隐身技术。本书阐述了FDTD在这些前沿设计中的作用，例如： 1. 超表面（Metasurfaces）的设计： 探讨如何通过精确控制单元结构的相位响应来引导电磁波前，实现传统光学元件（如偏振片、波片）的超薄化。 2. 吸波体（Absorbers）的优化： 如何通过FDTD寻找满足宽带、窄带或特定角度吸收特性的结构几何参数。 最后，鉴于超材料结构单元的尺寸通常接近或小于工作波长，仿真域的网格数量往往非常庞大。因此，计算效率成为实际应用中的瓶颈。本书讨论了加速FDTD模拟的技术，包括图形处理器（GPU）加速的实现，以及利用并行计算策略优化大规模矩阵运算的策略，确保研究人员能够高效地进行参数扫描和优化迭代。 --- 本书为读者构建了一个利用先进数值工具探索和设计新型电磁材料世界的路线图，强调了从麦克斯韦方程到具体仿真实现之间的严密逻辑链条。

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这本书给我的感觉就像一位经验丰富的导师，循序渐进地引导我进入FDTD方法与超材料模拟的世界。我发现书中在讲解FDTD算法时，非常注重理论与实践的结合，它不仅仅给出了数学公式，更重要的是解释了这些公式背后的物理意义以及在实际计算中的应用。例如，在讲解时域更新方程时，书中提供了多种不同的离散化方案，并分析了各自的优缺点，这对于我根据不同的应用场景选择最合适的算法非常有帮助。而对于超材料的建模部分，作者并没有局限于常见的模型，而是对不同类型的超材料单元结构，从简单的平面结构到复杂的体结构，都进行了详尽的分析和建模建议。我尤其对书中关于如何处理周期性边界条件以及非均匀介质的FDTD模拟方法进行了深入的学习，这对我研究周期性超材料和具有复杂材料分布的超材料体系至关重要。书中提供的代码示例（虽然我期望能有更多的代码）以及仿真结果图，都为我理解抽象的理论概念提供了直观的感受，也让我对如何构建和运行一个完整的FDTD仿真流程有了清晰的认识。此外，书中对FDTD模拟结果的后处理和数据分析方法也进行了详细的阐述，包括如何提取超材料的传输系数、反射系数、相移等关键参数，以及如何将这些参数与宏观的电磁特性联系起来。这本书在细节上的打磨非常到位，让我觉得作者在编写过程中真正站在读者的角度去思考，力求将最实用、最有效的信息传递给读者，对于渴望掌握FDTD方法进行超材料研究的人来说，这是一本不可多得的参考书。

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拿到这本书，我的第一感觉是它在内容上的广度和深度都令人印象深刻。它不仅详尽地介绍了FDTD方法本身，更重要的是，将FDTD方法与超材料这一前沿研究领域进行了深度融合，提供了一种系统性的视角来理解和模拟这类人工电磁材料。我尤其看重书中对FDTD算法在处理超材料的各项特性时所面临挑战的分析。例如，当超材料的结构尺寸远小于电磁波波长时，传统的FDTD网格可能会面临计算量巨大的问题，书中就详细介绍了如何通过细分网格、采用自适应网格技术，甚至结合解析模型来优化计算效率，同时保证仿真结果的准确性。我从中学习到了如何根据超材料的特定结构和所需的精度来选择合适的FDTD算法参数。此外，书中在模拟超材料与自由空间的耦合、介质界面反射和透射等问题时，也提供了非常有价值的指导。我特别对书中关于如何设定适当的激励源以模拟特定入射角和偏振的光波，以及如何通过傅里叶变换等后处理技术来提取超材料的有效参数（如折射率、磁导率）的详细讲解印象深刻。这本书不仅仅是一本技术手册，它更像是一个开放的平台，鼓励读者去思考和探索，如何在FDTD框架下解决更复杂、更具挑战性的超材料设计问题。它让我对FDTD方法在超材料领域的研究潜力有了更深的认识，也激发了我进一步深入研究的动力。

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这本书给我最深刻的印象是其理论的严谨性和实践的指导性并存。它并非一本泛泛而谈的书，而是深入到FDTD方法在超材料模拟的每一个细节。我最看重的是书中对于FDTD算法在处理超材料复杂几何结构时的具体策略。例如，当超材料单元的形状非常不规则，或者包含微小的开口时，传统的FDTD网格划分可能会面临困难，书中就详细介绍了如何通过“阶梯近似”或者更高级的“画点法”来处理这些复杂的几何边界，从而保证仿真结果的准确性。我尤其对书中关于如何模拟超材料与周围介质的耦合效应，以及如何处理不同材料界面的反射和透射问题进行了深入的学习。这对于我理解超材料在实际应用场景中的性能表现至关重要。书中还详细阐述了如何通过FDTD模拟来分析超材料的衍射特性、相控阵能力以及能量束缚效应，这些都是超材料引人入胜的应用方向。我从书中学习到了如何根据不同的应用需求，来设计相应的FDTD仿真模型，并对仿真结果进行有针对性的分析。此外，书中关于FDTD方法在处理纳米尺度超材料、等离激元超材料以及量子超材料等领域的应用，也为我打开了新的研究视野。这本书让我深刻认识到，FDTD方法不仅是理解和设计超材料的强大工具，更是推动超材料技术迈向更高层次的关键驱动力。

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我一直被超材料那颠覆常规认知的电磁学特性所吸引，而FDTD方法作为一种强大的数值工具，自然成为研究这类人工材料不可或缺的手段。这本书正好填补了我在这方面的知识空白。它对我最大的帮助在于，系统地梳理了FDTD算法在处理超材料问题时的关键考量。例如，在模拟具有亚波长尺度的超材料结构时，网格的划分密度以及单元尺寸的选择就显得尤为重要，书中对此进行了细致的讨论，并给出了优化网格以提高计算精度和效率的实用建议。我特别欣赏书中关于如何处理超材料的非欧姆接触效应以及表面散射效应的章节，这些细节往往是影响仿真结果准确性的关键因素，而作者却能将其清晰地呈现并提供解决方案。此外，书中对不同类型超材料的性能评估方法也进行了深入的剖析，例如如何通过FDTD模拟预测超材料的光学带隙、谐振频率以及散射截面等，这对于我理解和设计具有特定功能的超材料提供了重要的理论指导。我感觉书中作者在分享FDTD方法的应用技巧时，并没有藏私，而是将自己多年的实践经验毫无保留地呈现出来。即使是一些在学术文献中难以找到的细节问题，比如如何设置合适的激励源来模拟不同传播模式，或者如何有效地处理复杂几何形状导致的数值不稳定性，书中都有详细的解答。这本书让我深刻体会到，FDTD方法并非简单的数值求解，而是需要结合对超材料物理特性的深刻理解，才能发挥出其最大的潜力。

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作为一名对前沿物理学领域充满好奇的研究者，我一直对超材料的奇特电磁特性以及其潜在的应用前景深感兴趣。然而，要精确地模拟和理解这些非传统的电磁响应，需要掌握强大的数值计算工具。这本书，正是这样一个将FDTD方法这一强大的数值求解技术与超材料这一迷人的研究对象紧密结合的优秀著作。我惊喜地发现，书中并没有简单地堆砌枯燥的数学公式，而是通过生动形象的图示和案例，将FDTD算法的每一个细节都解释得一清二楚。从网格的划分到时域差分方程的建立，再到边界条件的设定，作者都进行了细致的讲解。而更令我兴奋的是，书中详细地阐述了如何利用FDTD方法来模拟各种类型的超材料，包括那些具有负介电常数、负磁导率，甚至同时具有负介电常数和负磁导率的超材料。我尤其对书中关于如何处理超材料的复杂几何结构和非均匀材料分布的FDTD建模技术印象深刻，这对于我理解和设计具有特定功能的超材料至关重要。此外，书中还对超材料在不同应用领域，如电磁隐身、完美透镜、天线增强等方面的潜力进行了深入的探讨，并通过FDTD模拟结果进行验证，这极大地开阔了我的视野，也为我未来的研究方向选择提供了重要的参考。这本书让我深刻认识到，FDTD方法不仅是理解超材料电磁行为的利器，更是推动超材料技术发展的重要驱动力。

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作为一个在电磁学领域摸爬滚打多年的研究者，我一直对超材料的奇特电磁响应充满着浓厚的兴趣，但将其付诸实践的模拟计算却一直是我的一个难点。这本书的出现，无疑为我点亮了一盏明灯。我最看重的是它在FDTD方法与超材料模型耦合方面的深度挖掘。书中不仅阐述了FDTD方法的基本框架，更重要的是，它深入探讨了如何在FDTD数值模拟框架下，精确地表征和建模超材料的独特结构和性能。我特别喜欢书中关于“等效介质理论”与FDTD方法相结合的讨论，这使得我们能够以一种更加宏观的视角来理解超材料的电磁行为，并将其有效地转化为FDTD模型的参数。同时，书中对各种超材料单元结构（如split-ring resonators, metallic patches等）的FDTD建模策略进行了细致的分析，包括如何准确地离散化这些微小而复杂的几何结构，以及如何设置相应的边界条件以获得准确的仿真结果。书中关于材料参数提取的章节也极具价值，它详细介绍了如何通过FDTD模拟，结合S参数等测量手段，来反演出超材料的等效介电常数和磁导率，这对于理解和设计具有特定功能的超材料至关重要。此外，我非常欣赏书中在处理数值色散、吸收边界条件（PML）等方面所提供的详细指导，这些都是FDTD模拟精度和稳定性的关键所在。这本书让我对FDTD在超材料研究中的应用有了更深刻的认识，也为我未来的科研工作提供了坚实的技术支撑和理论指导，让我能够更自信地去探索超材料的无限可能。

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这本书的封面设计就充满了科学的严谨感，深邃的蓝色背景衬托着复杂的模型示意图，让人一眼就能感受到其内容的专业性。我当时之所以选择它，很大程度上是被这个封面所吸引，它暗示着这是一本深入探讨计算物理学前沿领域的著作。我期待这本书能够系统地讲解FDTD（有限时域差分）方法在超材料模拟中的应用，因为我深知FDTD作为一种强大的数值求解麦克斯韦方程组的手段，在理解和设计超材料这种人造电磁材料时扮演着至关重要的角色。我希望作者能够从FDTD方法的基本原理讲起，详细阐述其离散化过程、稳定性条件以及边界处理等关键技术细节。同时，我也期待书中能对超材料的结构设计、性能表征以及不同应用场景下的模拟案例进行深入剖析。例如，关于负折射率、电磁隐身、完美透镜等超材料的经典话题，我希望能看到具体的FDTD建模步骤和仿真结果分析，理解这些奇异的电磁现象是如何通过数值模拟得以验证和预测的。此外，作为一名对超材料领域充满好奇的研究者，我还希望这本书能触及一些更具挑战性的内容，比如如何处理非均匀介质、非线性效应，或者如何构建更大规模、更复杂的超材料结构模型。对于FDTD方法的优化和加速，诸如并行计算、自适应网格等技术，如果书中能有所提及，那将是锦上添花，进一步提升本书的实用价值。总而言之，我希望这本书能成为我理解和应用FDTD方法进行超材料研究的一本宝典，提供扎实的理论基础和丰富的实践指导，帮助我克服在研究过程中遇到的各种技术难题，推动我的科研工作迈上新的台阶。

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这本书的出现，对于我而言，无疑是为我打开了一扇通往超材料精密模拟的大门。我一直对FDTD方法在解析复杂电磁现象上的强大能力有所耳闻，但如何将其有效地应用于超材料的设计和分析，却一直是我研究中一个不小的挑战。这本书恰好提供了一个非常全面和深入的解决方案。我非常欣赏书中对FDTD方法基本原理的清晰阐述，从麦克斯韦方程组的离散化到时间步进的实现，每一个环节都解释得详尽而易懂。更重要的是，书中将这些理论知识巧妙地转化为对超材料的具体建模实践。例如，在模拟负折射率超材料时，书中详细讲解了如何构建其几何结构，如何设置材料参数，以及如何通过监测电磁波在超材料中的传播来验证其负折射特性。我尤其对书中关于如何处理超材料的周期性边界条件以及如何实现不同激励源的详细介绍印象深刻，这些都是进行精确超材料模拟不可或缺的关键步骤。此外，书中还对超材料在不同频率范围内的响应特性进行了分析，并给出了相应的FDTD模拟策略，这对于我理解和设计具有特定频率响应的超材料提供了重要的参考。总而言之，这本书不仅教会了我如何使用FDTD方法来模拟超材料，更重要的是，它引导我深入理解了FDTD方法在超材料研究中的精妙之处，为我未来的科研工作提供了坚实的技术基础和宝贵的实践经验。

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这本书的封面设计就极具吸引力，深蓝色的背景和精美的模型示意图，预示着这是一本内容深刻且富有挑战性的著作。作为一名对超材料领域抱有浓厚兴趣的读者，我一直希望能够找到一本能够系统性地讲解FDTD方法在超材料建模与仿真中应用的图书。这本书完美地满足了我的需求。我非常欣赏书中在讲解FDTD算法时，始终紧密围绕超材料的特性展开。例如，在处理具有亚波长特征的超材料结构时，书中详细阐述了如何进行精细网格划分，以及如何通过优化离散格式来提高数值精度，同时又兼顾计算效率。我特别喜欢书中对如何精确模拟超材料的谐振效应、色散特性以及非线性响应的详细指导。这些都是理解超材料电磁行为的关键所在，而书中通过具体的FDTD建模案例，将其清晰地呈现出来。书中还深入探讨了如何通过FDTD模拟来提取超材料的等效参数，例如等效介电常数和磁导率，以及如何利用这些参数来分析和预测超材料的宏观电磁行为。我从书中学习到了许多实用的技巧，比如如何设定合适的激励源来模拟不同极化状态的光波，以及如何通过快速傅里叶变换等后处理方法来分析仿真结果。这本书不仅为我提供了扎实的理论基础，更重要的是，它赋予了我强大的实践能力，让我能够更加自信地去探索超材料世界的无限可能。

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读完这本书，我最大的感受是它成功地将FDTD这个在许多人看来相当抽象的数值方法，与超材料这个充满想象力的人工材料领域巧妙地结合起来。作者似乎拥有深厚的理论功底和丰富的工程实践经验，使得他在阐述复杂的数学公式和物理概念时，能够做到深入浅出，易于理解。我尤其欣赏书中对FDTD算法各个组成部分的详细分解，从网格划分、时域离散到差分方程的推导，都显得逻辑清晰，条理分明。对于初学者来说，这部分内容无疑是宝贵的入门指导，能够帮助他们建立起对FDTD方法的基本认知。而更令我惊喜的是，书中并没有停留在理论层面，而是通过大量的实例，展示了如何运用FDTD方法来模拟各种类型的超材料，包括但不限于介电超材料、金属超材料、二维超材料以及三维超材料。每一种类型的超材料，作者都详细介绍了其结构特点、设计思路以及在FDTD模型中的具体实现方式。例如，在模拟负折射率超材料时，书中详细讲解了如何定义其几何结构、设定材料参数，以及如何通过监测传播的电磁波来验证其负折射特性。此外，对于超材料在不同应用领域的潜力，书中也进行了深入的探讨，比如如何在FDTD模型中模拟超材料在通信、传感、能源等领域的应用效果，这极大地开阔了我的视野，也为我的科研方向选择提供了重要的参考。这本书的仿真结果图谱精美，数据分析详实，让我能够直观地感受到FDTD模拟的强大威力，也从中汲取了许多解决实际问题的灵感。

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