三维柱坐标下ADI-WLP FDTD算法的CPML实现

1

作者 朱大伟 陈海林 +1 位作者 杨洁 陈彬 《微波学报》 CSCD 北大核心 2019年第3期1-6,共6页

提出一种三维柱坐标系下交变方向隐式(ADI)的加权拉盖尔时域有限差分(WLP-FDTD)算法,并利用卷积完全匹配层(CPML)实现。通过引入微扰项可将大型稀疏矩阵的CPML形式分解为6个三对角矩阵,之后结合高斯-赛德尔思想,将6个三对角矩阵划分为... 提出一种三维柱坐标系下交变方向隐式(ADI)的加权拉盖尔时域有限差分(WLP-FDTD)算法,并利用卷积完全匹配层(CPML)实现。通过引入微扰项可将大型稀疏矩阵的CPML形式分解为6个三对角矩阵,之后结合高斯-赛德尔思想,将6个三对角矩阵划分为两部分迭代计算,可进一步提升计算效率和收敛速度。在柱坐标模型的应用算例中,数值计算结果显示该算法的CPML吸收边界对比Mur吸收边界有较好的吸收效果。 展开更多

关键词 时域有限差分法 拉盖尔多项式 交变方向隐式 卷积完全匹配层 高斯-赛德尔 轴上特殊处理

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基于改进双向峰-谷搜索算法的煤矸模型电磁波正演模拟

2

作者 史翔予 司垒 +2 位作者 王忠宾 魏东 顾进恒 《工矿自动化》 CSCD 北大核心 2023年第10期87-95,共9页

实现放顶煤过程煤矸含量自动识别是综采自动化的重要目标,现有煤矸含量自动识别方法存在准确性、实时性较低等问题。放顶煤过程产生的煤矸混合物是由煤、矸石和空气形成的三相介质,各相介质的电性参数不同,在不同组分的混合三相介质中,... 实现放顶煤过程煤矸含量自动识别是综采自动化的重要目标,现有煤矸含量自动识别方法存在准确性、实时性较低等问题。放顶煤过程产生的煤矸混合物是由煤、矸石和空气形成的三相介质,各相介质的电性参数不同,在不同组分的混合三相介质中,电磁波的传播特性也不同。煤和矸石相对介电常数差异明显,通过研究不同含矸率煤矸混合物的电性参数,可为放顶煤工作面含矸率自动识别提供新的思路和方法。为了探究不同含矸率煤矸混合物的电性差异,提出了一种基于分治策略的双向峰-谷搜索算法,基于该算法建立了煤矸多相离散随机介质模型,基于麦克斯韦方程组及其本构关系方程,利用时域有限差分法对所建立的模型进行电磁波正演模拟。分析表明,基于分治策略改进双向峰-谷搜索算法后,煤矸多相离散随机介质模型中的煤、矸石、空气三相之间不仅存在明显的相界面,且各相离散程度更大,不存在聚集现象,因此局部介质也能体现整体的电性参数,能够满足电磁波正演的介质模型需求。正演模拟结果表明:(1)激励信号的频率会影响透射波的幅值,在12 GHz范围内,激励信号频率越高,透射波幅值越大;频率过低会降低信号的鲁棒性,激励频率应高于2 GHz。(2)煤矸混合物的含矸率与介质整体的等效介电常数呈正相关。含矸率越高,电磁波信号的传播损耗越多,接收平面接收到的信号幅值越小,电磁波信号穿透介质所用的时间越长。不同含矸率之间呈现明显的差异性,可以用作综采放顶煤含矸率识别的依据。 展开更多

关键词 放顶煤工作面 煤矸识别 含矸率 电磁波正演 分治策略 双向峰-谷搜索算法 多相离散随机介质模型 时域有限差分法

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等离子体的分段线性电流密度递推卷积FDTD算法 被引量：31

3

作者 刘少斌 莫锦军 袁乃昌 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2004年第3期778-782,共5页

给出了一种新的色散介质的时域有限差分 (FDTD)算法 ,称为分段线性电流密度递推卷积FDTD算法 .利用电流密度和电场强度的卷积关系 ,给出了该算法的计算公式 .通过计算碰撞冷均匀等离子体平板对电磁波的反射系数和透射系数 。

关键词 等离子体 色散介质 时域有限差分算法 电磁波 分段线性电流密度递推卷积 电流密度 电场强度 反射系数 透射系数

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基于JEC-FDTD等效循环神经网络的电磁建模和等离子体参数反演

4

作者 覃一澜 马嘉禹 +1 位作者 付海洋 徐丰 《电波科学学报》 CSCD 北大核心 2024年第3期552-560,共9页

磁化等离子体中的电磁波传播是重要的研究课题,针对特定场景下的电磁等离子耦合问题,进行有效且准确的方程建模与参数求解具有极强的研究价值和挑战性,这是探究电磁波与等离子体复杂非线性相互作用机制的关键。文中设计了一种可用于电... 磁化等离子体中的电磁波传播是重要的研究课题,针对特定场景下的电磁等离子耦合问题,进行有效且准确的方程建模与参数求解具有极强的研究价值和挑战性,这是探究电磁波与等离子体复杂非线性相互作用机制的关键。文中设计了一种可用于电磁等离子体正逆向建模的循环神经网络(recurrent neural network,RNN),该网络正向传播过程等价于任意磁倾角情况下的电流密度卷积时域有限差分(current density convolution finite-difference time-domain,JEC-FDTD)方法,因此可以求解给定的电磁建模问题,并易于大规模并行计算。通过构建前向可微模拟过程,JEC-FDTD方法可以使用自动微分技术准确且高效地计算梯度,然后通过训练网络来解决反问题。因此,该方法可以有效利用观测到的时域散射场信号反演重要的等离子体参数。JEC-FDTD方法和RNN相结合,形成了较强的协同效应,使得模型具有可解释性和高效的计算效率,受益于深度学习提供的优化策略和专用硬件支持,可以适用于不同仿真场景下的电磁建模和等离子体参数反演。 展开更多

关键词 电流密度卷积时域有限差分(JEC-FDTD)方法 磁化等离子体 循环神经网络(RNN) 物理启发的机器学习算法 参数反演

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基于ADI-FDTD法的探地雷达正演数值模拟及验证

5

作者 曾良生 迟耀丹 +1 位作者 周庆才 衣淼 《吉林建筑大学学报》 CAS 2024年第1期48-55,共8页

探地雷达(GPR)是一种应用前景广泛、用于探测和定位地下物体的浅层地球物理方法。通过开展探地雷达正演模拟研究,可以获得复杂地下结构的探地雷达图像回波特征。时域有限差分(FDTD)法受到稳定性和收敛性条件的限制,导致效率和精度低。... 探地雷达(GPR)是一种应用前景广泛、用于探测和定位地下物体的浅层地球物理方法。通过开展探地雷达正演模拟研究,可以获得复杂地下结构的探地雷达图像回波特征。时域有限差分(FDTD)法受到稳定性和收敛性条件的限制,导致效率和精度低。交替方向隐式-时域有限差分(ADI-FDTD)法克服FDTD法的稳定性限制,可以选择更大的时间步长来提高计算效率。从原理出发,对ADI-FDTD法进行公式推导,在基于ADI-FDTD法的基础上进行卷积完全匹配层(CPML)的结合。通过进行ADI-FDTD法的时间稳定性仿真和不同材质、不同填充介质的双管,沙槽正演模拟实验,结果表明,ADI-FDTD法可以保证时间无条件稳定性,相同情况下可采用更大的时间步长进行正演模拟,提高正演效率。对不同管线、不同材质情况下的正演剖面曲线特征进行解译分析,最后与沙槽实测进行对比,证明得到的探测解译结果与实际状况达到较好的吻合。 展开更多

关键词 探地雷达(GPR) 正演模拟 无条件稳定 卷积完全匹配层(CPML) 交替方向隐式-时域有限差分(ADI-FDTD)法

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超宽带冲激无线电引信地面回波仿真算法 被引量：3

6

作者 王全民 陈彬 +1 位作者 郭刚 黄柯棣 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2011年第3期469-473,共5页

超宽带冲激无线电引信系统设计过程中使用计算电磁学的方法研究地面对回波信号的影响,目前对超宽带冲激信号地面回波的计算多使用传统FDTD算法,其仿真步长受到稳定性条件的限制,计算量较大;基于ADI-FDTD(交替方向隐式-时域有限差分)算法... 超宽带冲激无线电引信系统设计过程中使用计算电磁学的方法研究地面对回波信号的影响,目前对超宽带冲激信号地面回波的计算多使用传统FDTD算法,其仿真步长受到稳定性条件的限制,计算量较大;基于ADI-FDTD(交替方向隐式-时域有限差分)算法,使用CPML(卷积完全匹配层)作为吸收边界,使用多极点Debye土壤模型描述地面电磁特性,提出一种多极点Debye介质中的CPML-ADI-FDTD方法;对不同湿度和粗糙度的地面回波进行仿真,结果表明所用的算法具有较高的精度和计算效率。 展开更多

关键词 超宽带 回波仿真 卷积完全匹配层 交替方向隐式-时域有限差分 多极点Debye介质

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基于OpenCL的GPU加速三维时域有限差分电磁场仿真算法研究 被引量：2

7

作者 代健 褚天舒 杨照 《数值计算与计算机应用》 CSCD 2014年第1期8-20,共13页

提出了一种基于开放运算语言(OpenCL)的GPU加速三维时域有限差分(FDTD)电磁场仿真计算的方法.该方法利用图形处理单元(GPU)的并行处理特性并结合OpenCL接口标准实现了时域卷积完全匹配层(CPML)吸收边界条件的三维FDTD的高性能加速计算.... 提出了一种基于开放运算语言(OpenCL)的GPU加速三维时域有限差分(FDTD)电磁场仿真计算的方法.该方法利用图形处理单元(GPU)的并行处理特性并结合OpenCL接口标准实现了时域卷积完全匹配层(CPML)吸收边界条件的三维FDTD的高性能加速计算.首先设置FDTD仿真参数并动态申请内存空间,然后初始化OpenCL的计算参数,对三维电磁模型基于OpenCL进行FDTD加速仿真.本方法显著提升了FDTD电磁场仿真速度,与利用CPU计算相比速度提升可达5-8倍,且具有CPML吸收边界条件,可以模拟电磁波在自由空间的传播;基于OpenCL编译的语言程序可以运行在CPU或GPU硬件上,并可充分发挥多核CPU的并行计算能力,使得FDTD电磁场仿真具有更广泛的实际应用. 展开更多

关键词 图形处理单元 时域有限差分算法 加速电磁计算 开放运算语言 卷积完全匹配层

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适用于一维精细结构电磁目标模拟的通用HIE-FDTD方法及程序实现 被引量：4

8

作者 牟春晖 陈娟 +1 位作者 范凯航 鲁艺 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第18期140-152,共13页

混合显-隐式时域有限差分方法的时间步长只由空间两个方向上的网格大小决定,因而该方法被广泛应用于沿一个方向具有精细结构的电磁目标的模拟.本文通过对传统时域有限差分方法基本公式进行近似,给出适用于线性、非色散空间,一维精细结... 混合显-隐式时域有限差分方法的时间步长只由空间两个方向上的网格大小决定,因而该方法被广泛应用于沿一个方向具有精细结构的电磁目标的模拟.本文通过对传统时域有限差分方法基本公式进行近似,给出适用于线性、非色散空间,一维精细结构电磁目标模拟的通用混合显-隐式时域有限差分方法.在通用混合显-隐式时域有限差分方法中,通过媒质编号索引和迭代系数空间定位实现三对角矩阵的自动构建,引入等效参数方法解决麦克斯韦方程微分形式在不同介质分界面失效的问题,引入卷积完全匹配层边界条件对计算区域进行截断.此外,本文提出了一种缩减三对角矩阵数量的方法,该方法可有效降低程序运行所需内存,提高程序运行效率.应用通用混合显-隐式时域有限差分方法仿真了平面波照射介质板和双频微带倒F天线两个模型,数值计算结果与传统时域有限差分方法和CST软件的计算结果一致,但与传统时域有限差分方法相比,通用混合显-隐式时域有限差分方法的计算效率大大提高. 展开更多

关键词 电磁目标 混合显-隐式时域有限差分 等效参数 卷积完全匹配层

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修正的卷积完全匹配层技术 被引量：1

9

作者 谢国大 宋开宏 黄志祥 《合肥工业大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2017年第12期1725-1728,共4页

复频移的卷积完全匹配层(convolutional perfectly matched layer,CPML)与时域有限差分(finitedifference time-domain,FDTD)算法递推公式之间存在数值计算时间不同步的问题,诸多算例结果表明CPML的吸波效果并没有达到一些具有相同二阶... 复频移的卷积完全匹配层(convolutional perfectly matched layer,CPML)与时域有限差分(finitedifference time-domain,FDTD)算法递推公式之间存在数值计算时间不同步的问题,诸多算例结果表明CPML的吸波效果并没有达到一些具有相同二阶精度的完全匹配层(perfectly matched layer,PML)的吸波效果。文章采用时间平均近似方法对CPML进行了修正,使其吸波性能与其他具有相同数值计算精度的PML的吸波性能相当;通过2个具有代表性的算例,验证了方法的有效性。该方法思路简单、清晰,只需在传统的CPML代码基础上进行简单的修改,计算时间大大缩减,该方法对于CPML在FDTD算法中的高效应用具有一定的意义。 展开更多

关键词 时域有限差分(FDTD)算法 卷积完全匹配层(CPML) 吸收效果 时间平均近似方法 计算时间

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各向异性磁化等离子体JEC-FDTD算法 被引量：36

10

作者 刘少斌 莫锦军 袁乃昌 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2004年第3期783-787,共5页

将色散介质的电流密度卷积 时域有限差分 (JEC FDTD)算法推广到各向异性磁化等离子体色散介质 .该算法同时解决了电磁波在各向异性和频率色散介质中传播的难题 ,给出了各向异性磁化等离子体JEC FDTD算法的公式 .计算磁化等离子体平板... 将色散介质的电流密度卷积 时域有限差分 (JEC FDTD)算法推广到各向异性磁化等离子体色散介质 .该算法同时解决了电磁波在各向异性和频率色散介质中传播的难题 ,给出了各向异性磁化等离子体JEC FDTD算法的公式 .计算磁化等离子体平板对平行于磁场传播的电磁波的反射和透射系数 ,通过与解析结果的比较 。 展开更多

关键词 色散介质 电流密度卷积-时域有限差分算法 各向异性 磁化等离子体 电磁波 透射系数 反射系数

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光子晶体并行Matlab仿真研究与实现 被引量：3

11

作者 刘瑜 梁正 杨梓强 《计算机仿真》 CSCD 2008年第9期312-315,共4页

由于Matlab软件的网络通信局限,使得在并行时域有限差分(FDTD)计算仿真中,难以实现子域间的消息发送与接收操作。针对这个问题,提出一种新的基于磁盘-内存互逆映射的解决方法,在简化并行FDTD算法实现的同时,显著提高了算法执行性能。作... 由于Matlab软件的网络通信局限,使得在并行时域有限差分(FDTD)计算仿真中,难以实现子域间的消息发送与接收操作。针对这个问题,提出一种新的基于磁盘-内存互逆映射的解决方法,在简化并行FDTD算法实现的同时,显著提高了算法执行性能。作为算法实现的应用,对光子晶体光波导的电磁耦合效应进行了数值仿真研究,结果证实:波导耦合区域内不同半径比介质柱所导致的结构变化将造成耦合长度的改变,且其耦合关系曲线具有平稳区与迅变区两类不同特性的变化范围区间。 展开更多

关键词 并行时域有限差分算法 磁盘-内存互逆映射 光子晶体 电磁耦合效应

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三分量地–孔瞬变电磁法积水采空区探测试验 被引量：13

12

作者 姚伟华 王鹏 +2 位作者 李明星 苏超 程思远 《煤田地质与勘探》 CAS CSCD 北大核心 2019年第5期54-62,共9页

孔中物探方法是近几年行业研究的热点,考虑到金属矿上应用较成熟的地–孔瞬变电磁法具有径向探测距离远,数据信号不易受地面电磁干扰影响等特点,将其应用到煤矿积水采空区探查领域。采用三维时域有限差分算法对钻孔不同方位的积水采空... 孔中物探方法是近几年行业研究的热点,考虑到金属矿上应用较成熟的地–孔瞬变电磁法具有径向探测距离远,数据信号不易受地面电磁干扰影响等特点,将其应用到煤矿积水采空区探查领域。采用三维时域有限差分算法对钻孔不同方位的积水采空区模型的总场响应、异常响应进行了数值模拟,总场三分量对积水采空区反映明显,异常场三分量形态组合能判别异常体的方位。采用等效涡流原理,研究了利用异常场三分量来反演异常体的位置、倾角和规模等参数的空间定位算法。通过不同方位的理论模型测试,不同时刻的反演等效电流环大小、位置的组合能反应含水采空区的空间位置及规模。最后在陕北某矿针对已知含水采空区开展地–孔瞬变电磁法探测试验,采集的三分量信号光滑可靠,且异常反应明显,并对不同时刻的异常场三分量数据进行反演处理,反演结果与实际采空区位置和规模基本一致,证明该方法可作为煤矿钻孔中探查积水采空区的有效手段。 展开更多

关键词 地-孔瞬变电磁法 三分量响应特征 积水采空区 三维时域有限差分算法 空间定位算法

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基于石墨烯硅波导的分光比可控分束器

13

作者 陈召远 徐军 +1 位作者 高旸 杨成俊祎 《量子电子学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第2期250-256,共7页

为了实现集成光电子器件的一器多用,利用石墨烯波导的调制作用设计了一种分光比可控的分束器。在马赫-曾德尔结构的一个干涉臂波导中嵌入石墨烯层,并通过施加偏置电压引入额外的相位差从而实现输出强度的调制。利用有限差分时域(FDTD)... 为了实现集成光电子器件的一器多用,利用石墨烯波导的调制作用设计了一种分光比可控的分束器。在马赫-曾德尔结构的一个干涉臂波导中嵌入石墨烯层,并通过施加偏置电压引入额外的相位差从而实现输出强度的调制。利用有限差分时域(FDTD)方法计算了石墨烯波导的特性,并仿真了分束器的传输特性。理论和仿真结果表明所设计的分束器具有良好的光学性能,并且其分光比可由调制电压在一定范围内调控。 展开更多

关键词 波导光学 分束器 电光调制器 马赫-曾德尔干涉仪 有限差分时域算法 集成光学器件

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各向异性磁等离子体的辅助方程FDTD算法 被引量：22

14

作者 刘少斌 莫锦军 袁乃昌 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2004年第7期2233-2236,共4页

通过对辅助方程的差分迭代 ,给出了一种新的各向异性磁化等离子体的辅助方程时域有限差分 (FDTD)算法 .并与电流密度卷积 (JEC)算法进行了比较 .通过计算磁化等离子体平板对平行于磁场传播的电磁波的反射和透射系数 ,验证了该算法的精度... 通过对辅助方程的差分迭代 ,给出了一种新的各向异性磁化等离子体的辅助方程时域有限差分 (FDTD)算法 .并与电流密度卷积 (JEC)算法进行了比较 .通过计算磁化等离子体平板对平行于磁场传播的电磁波的反射和透射系数 ,验证了该算法的精度与JEC算法基本相同 ,而计算效率提高数倍 . 展开更多

关键词 色散介质 时域有限差分算法 各向异性 磁化等离子体 电流密度卷积算法 透射系数

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FDTD中色散介电常数的时域离散表达方法

15

作者 张晓光 苏治国 +1 位作者 王忠青 阮殿旭 《中国矿业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第3期391-394,共4页

针对递归卷积方法只适合于随频率变化比较平滑的色散介电常数情况,提出一种可以把色散(频变)介电常数直接嵌入时域有限差分的算法(FDTD).将随频率变化的色散介电常数用Debye有理函数近似,修正后的离散冲激响应用非等步长的离散时域表达... 针对递归卷积方法只适合于随频率变化比较平滑的色散介电常数情况,提出一种可以把色散(频变)介电常数直接嵌入时域有限差分的算法(FDTD).将随频率变化的色散介电常数用Debye有理函数近似,修正后的离散冲激响应用非等步长的离散时域表达直接和FDTD算法进行卷积.结果表明:用此方法的仿真结果和用递归卷积方法仿真的结果进行比较后发现2种仿真结果吻合很好.表明该方法准确、稳定,适用于色散介电常数随着频率变化非常复杂的情况. 展开更多

关键词 时域有限差分算法(FDTD) 非等步长 介电常数 卷积

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双缝波导结构表面等离子体可见光分束器设计 被引量：6

16

作者 王继成 刘红娇 +4 位作者 蔡增艳 吴涛 张羽婵 杜茗晗 许益平 《激光与光电子学进展》 CSCD 北大核心 2014年第10期177-182,共6页

理论设计了一种金属-介质-金属(MIM)双缝结构的表面等离子体可见光分光器。利用表面等离子体效应及经典光学干涉原理,改变双缝波导结构中的填充介质、结构厚度、狭缝宽度、双缝宽度等参数,可使波长不同的两束可见光通过双缝亚波长结构... 理论设计了一种金属-介质-金属(MIM)双缝结构的表面等离子体可见光分光器。利用表面等离子体效应及经典光学干涉原理,改变双缝波导结构中的填充介质、结构厚度、狭缝宽度、双缝宽度等参数,可使波长不同的两束可见光通过双缝亚波长结构后实现表面等离子分束的效果。设计过程中采用时域有限差分法(FDTD)进行数值模拟,分别模拟计算了双缝宽度相同填充介质不同和双缝填充介质相同宽度不同两种情况下的光场分布,且都得到了较好的分束效果,最大分束比可达12。该设计结构简单,可以通过电子束刻蚀系统等实验设备加工,具有较好的应用前景。 展开更多

关键词 表面光学 表面等离子体 分束器 时域有限差分算法 金属-介质-金属结构 亚波长

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基于内嵌旋转银纳米方块圆形纳米腔的折射率传感器（英文）

17

作者 曹威 秦艳 张中月 《光散射学报》 北大核心 2014年第4期398-405,共8页

本文设计了一个基于内嵌可旋转银纳米方块圆形纳米腔的金属-介质-金属波导滤波器,并用时域有限差分算法进行了表征。由于旋转的银纳米方块破坏了圆形纳米腔原有的对称稳态磁场分布,因而产生了一种新的振动模式。这种新的振动模式依赖于... 本文设计了一个基于内嵌可旋转银纳米方块圆形纳米腔的金属-介质-金属波导滤波器,并用时域有限差分算法进行了表征。由于旋转的银纳米方块破坏了圆形纳米腔原有的对称稳态磁场分布,因而产生了一种新的振动模式。这种新的振动模式依赖于内嵌旋转银纳米方块的旋转角度和边长。与没有嵌入银纳米方块和嵌入银纳米方块没有旋转时的金属-介质-金属波导滤波器相比,内嵌入旋转的银纳米方块的金属-介质-金属波导滤波器对周围介质折射率的微小变化更加敏感。因此,该结构在生物传感器方面具有潜在应用。 展开更多

关键词 表面等离极化激元 金属-介质-金属波导 时域有限差分算法

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