基于MATLAB的一维光子晶体带隙解析计算与可视化系统

资 源 简 介

本项目采用MATLAB实现一维光子晶体的解析法带隙计算，支持自定义结构参数配置，自动生成能带结构图与带隙分布可视化，为光子晶体研究提供便捷的仿真工具。

详 情 说 明

基于解析法的一维光子晶体带隙计算与可视化仿真系统

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的一维光子晶体带隙特性分析与仿真系统。系统采用解析法中的传输矩阵法，结合布洛赫定理，对一维光子晶体的能带结构进行精确计算。用户可通过图形界面或脚本配置自定义光子晶体结构参数，系统将自动完成能带计算、带隙识别，并提供丰富的可视化结果，为光子晶体设计与研究提供高效、直观的分析工具。

功能特性

• 参数化建模：支持用户灵活定义光子晶体的介质折射率序列、各层几何厚度、周期数等核心结构参数。
• 解析法核心计算：采用传输矩阵法进行严格的电磁场传播分析，应用布洛赫定理求解系统的本征值问题，确保能带计算的理论准确性。
• 带隙自动识别：通过扫描布洛赫波矢，自动计算并识别出光子晶体的光子带隙（禁带）位置与宽度。
• 多维度可视化：生成频率-波矢能带图（带隙分布图）、特定条件下的透射率谱曲线，直观展示带隙特性。
• 结构化结果输出：除图形结果外，还提供带隙数据表格、参数报告和计算日志等文本输出，便于后续分析记录。

使用方法

1. 参数设置：运行系统后，在指定的输入区域（如GUI界面或脚本变量区）设置计算参数。

* 介质层参数：输入构成一个周期的各层材料的折射率值，例如 [n1, n2, n3, ...]。 * 几何参数：输入与介质层对应的各层厚度（单位：微米），例如 [d1, d2, d3, ...]。 * 周期数：设定光子晶体的总周期重复次数（正整数）。 * 频率范围：指定需要分析的光频率范围（起始频率，终止频率）。 * 波矢范围（可选）：设定布洛赫波矢的扫描区间，通常默认为第一布里渊区（0 至 π/a，a为晶格常数）。

1. 执行计算：启动计算流程。系统将根据输入参数，执行传输矩阵计算和能带分析。

1. 查看结果：计算完成后，系统将自动显示或生成以下结果：

* 带隙分布图：以二维彩色映射图形式展示频率与波矢的关系，带隙区域清晰可辨。 * 带隙数据表：列出所有识别出的带隙的起始频率、终止频率和宽度。 * 透射率谱：显示光子晶体在特定入射条件下的透射率随频率变化的曲线。 * 参数报告与计算日志：在命令行窗口或日志文件中查看输入参数的汇总和计算过程信息。

系统要求

• 操作系统：Windows、macOS 或 Linux。
• 软件环境：MATLAB R2018a 或更高版本。
• 必要工具箱：主要依赖MATLAB基础功能，部分可视化功能可能需要 Image Processing Toolbox（用于某些色彩映射）。

文件说明

主程序文件作为整个系统的控制中枢和用户交互入口，其核心功能包括：初始化计算环境与参数、接收并验证用户的输入数据、协调调用传输矩阵计算、能带求解和带隙识别等核心算法模块、驱动生成各类可视化图表（如能带图和透射率谱），并最终组织与输出计算结果（包括数据表格和文本报告）。