MATLAB实现的平面波展开法与FDTD光子晶体仿真系统

资 源 简 介

本MATLAB项目结合平面波展开法和时域有限差分法，实现二维光子晶体的能带结构计算与电磁能量传输仿真。适用于周期性介电结构的光子带隙分析和波导传输特性研究，为光电器件设计提供数值工具。

详 情 说 明

二维光子晶体能带及能量传输仿真系统

项目介绍

本项目是一个基于平面波展开法（PWE）和时域有限差分法（FDTD）的二维光子晶体物理特性仿真系统。通过结合两种主流的计算电磁学方法，实现了对光子晶体能带结构的准确计算和电磁波传播过程的动态模拟，为光子晶体的设计与分析提供完整的仿真解决方案。

功能特性

• 能带结构计算：采用平面波展开法求解光子晶体的本征方程，获得频率-波矢关系图，自动识别并标注光子带隙
• 电磁传播仿真：利用时域有限差分法模拟电磁波在光子晶体中的传播过程，支持多种激励源设置
• 多参数支持：可自定义晶格结构（正方、三角等）、材料参数、边界条件等关键参数
• 可视化分析：提供能带图、电场/磁场分布、能量流动动态过程等多种可视化输出
• 对比分析功能：支持不同参数设置下的仿真结果对比，便于优化设计

使用方法

基本仿真流程

1. 参数设置：在配置文件中指定晶格类型、晶格常数、介质柱半径等结构参数
2. 材料定义：设置背景介质和散射体的介电常数分布
3. 仿真配置：选择PWE的平面波数量、FDTD的网格大小与时间步长等计算参数
4. 激励源设置：定义FDTD模拟中的源类型（如高斯脉冲）、频率范围和位置
5. 执行仿真：运行主程序开始计算过程
6. 结果分析：查看生成的能带图、场分布图和动态传输过程动画

参数调整指南

1. 能带计算精度：增加平面波数量可提高计算精度，但会增加计算量
2. 传播仿真稳定性：确保FDTD网格大小和时间步长满足CFL稳定性条件
3. 边界条件选择：周期性边界条件（PBC）用于能带计算，吸收边界条件（ABC）用于传播仿真

系统要求

硬件要求

• 内存：至少8GB RAM（推荐16GB以上）
• 处理器：Intel i5或同等性能以上
• 存储空间：至少1GB可用空间

软件要求

• MATLAB R2018a或更高版本
• 必要的工具箱：图像处理工具箱、并行计算工具箱（可选）

文件说明

主程序文件整合了系统的核心功能模块，实现了完整的仿真工作流程。其主要能力包括：初始化仿真参数设置，调用平面波展开法模块进行能带结构计算，执行时域有限差分法模拟电磁波传播过程，生成能带图和数据报告，可视化电场分布和能量传输动态，并提供参数对比分析功能。该文件作为系统的统一入口，协调各算法模块协同工作，确保仿真过程的连贯性和结果的一致性。