用于液晶光學特性模擬的時域電磁計算方法研究.pdf

1、液晶作為一種電控各向異性介質，已經廣泛應用于顯示領域并取得極大地成功。近年來，液晶在非顯示領域的應用，如用于光束控制、波前變換、自適應光學等領域的研究也日益受到關注，并逐步走向實際應用階段。此外，由于液晶具有很寬的工作光譜范圍，使得其在微波和太赫茲波段也有著誘人的應用前景。液晶器件特性數值模擬能夠預測器件光學特性，優(yōu)化器件參數，為器件設計與控制提供依據，是器件研究和開發(fā)不可或缺的重要組成部分。
　　液晶器件數值模擬包含指向矢模擬和

2、光學特性模擬兩個方面。光學特性模擬是通過研究光與液晶的相互作用，模擬入射光波在液晶器件中的傳播過程。時域有限差分法(FDTD)作為一種嚴格求解 Maxwell方程組的數值方法，是液晶光學特性模擬中應用最廣泛的方法。
　　本課題主要研究用于液晶光學特性模擬的二維時域電磁計算方法，尋求適用于非均勻各向異性介質、具有不同尺度結構細節(jié)(相對于入射光的波長)的算法，為液晶光學相控陣等液晶器件的設計和制造奠定理論基礎。本課題研究內容如下：

3、r>　　(1)當FDTD方法用于層狀各向異性介質的散射分析時，由于任意非對角各向異性介質中電場各分量之間的互相耦合，導致了一維輔助網格上的Maxwell方程組中Dy和Hy沿切向和法向傳播的子分量不能獨立離散，使得傳統(tǒng)的一維輔助 FDTD方法無法直接計算層狀各向異性介質的入射場場值。為此引入分裂場技術，解決了一維輔助Maxwell方程組的離散問題。
　　(2)當FDTD方法用于非周期結構液晶器件時，由于左、右邊界的不對稱性導致了用于

4、平面波源引入的周期邊界條件不適用，必須設法解決如何獨立計算總場/散射場左、右連接邊界上的入射場場值問題。為此根據液晶材料的粘滯特性，將左、右連接邊界上入射場場值的計算問題轉化為具有不同介電張量分布的層狀各向異性介質的入射場場值計算問題，解決了非周期液晶器件FDTD分析時的平面波源引入問題。
　　(3) FDTD方法為獲得精確解，其空間網格采樣率需要隨著計算區(qū)域總體尺寸的增大而增加，導致計算內存消耗大。偽譜時域方法(PSTD)因采用

5、快速傅立葉變換算法求解空間微分，其空間網格采樣率與總體尺寸無關，極大地減少了空間采樣率。根據液晶盒的薄板結構特點，提出用混合 PS-FDTD方法模擬光在液晶中的傳播。即在電尺寸小而內部介質變化劇烈的液晶盒厚度方向上采用FDTD方法，而在電尺寸大而內部介質變化又較平滑、且與玻璃基板平行方向上采用PSTD方法，以此減少計算資源消耗。
　　(4) FDTD方法的穩(wěn)定條件限定了其最小空間網格尺寸對時間步長的要求，導致了在求解超精細結構細節(jié)