基于MATLAB的FDTD一维光子晶体光波传输仿真系统

资 源 简 介

本项目利用MATLAB实现时域有限差分(FDTD)算法，仿真一维光子晶体中电磁波的传播特性。系统可计算电场/磁场时空分布，分析透射谱，为光子晶体设计提供数值分析工具。

详 情 说 明

基于FDTD方法的一维光子晶体光波传输特性仿真与分析系统

项目介绍

本项目利用时域有限差分（FDTD）方法，对一维光子晶体的光波传播行为进行数值模拟。系统能够仿真电磁波在一维周期性介质结构（如多层介质膜）中的传播过程，精确计算电场和磁场在空间与时间上的分布。通过快速傅里叶变换（FFT）对时域信号进行分析，可以得到光子晶体的透射谱特性。该系统是研究光子晶体带隙特性、探索结构参数（如周期数、层厚、折射率）对光学性能影响的有效工具。

功能特性

• 核心算法：采用标准的时域有限差分（FDTD）算法进行麦克斯韦方程的数值求解。
• 边界处理：实现完美匹配层（PML）边界条件，有效吸收 outgoing 波，模拟开放空间，避免非物理反射。
• 光源激励：支持高斯脉冲光源，可自定义其中心频率与脉冲宽度。
• 数据输出：

* 生成电磁场（Ez, Hy）在空间和时间上的动态分布图或静态快照。 * 计算并绘制光子晶体的透射频谱（频率-透射率曲线）。 * 自动分析透射谱，识别光子禁带（Photonic Band Gap）的位置与宽度。

使用方法

1. 参数设置：在主脚本中设置仿真所需的各项参数。

* 结构参数：两种介质的折射率 (n1, n2)、厚度 (d1, d2) 以及周期数 (N)。 * 光源参数：高斯脉冲的中心频率和脉冲宽度。 * 仿真参数：空间离散步长 (Δx)、时间步长 (Δt) 以及总仿真时间步数。

1. 运行仿真：执行主脚本，程序将自动进行FDTD时域迭代计算。
2. 结果分析：仿真结束后，程序会自动生成并显示电磁场演化动画/图像以及透射谱曲线图。用户可根据输出的图表和数据进行分析。

系统要求

• 操作系统：Windows, macOS 或 Linux。
• 软件环境：MATLAB（推荐 R2016a 或更高版本）。

文件说明

主程序文件承载了系统的核心仿真流程与控制逻辑。其主要功能包括：初始化计算区域并设置光子晶体的几何与材料参数；定义高斯光源特性；执行FDTD算法的核心时间步进循环，在此过程中更新电磁场分量并应用PML边界条件；在计算域末端进行场的监测与记录；对记录的时域信号进行傅里叶变换以计算透射谱；最终，生成并可视化电磁场的时空分布结果和透射频谱图，完成对光子晶体带隙特性的分析。