石墨烯吸收器中色散HIE-FDTD方法的改进及仿真

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石墨烯具有零带隙结构、低损耗性、动态可调性,在太赫兹吸收器应用中具有较高的实用价值。时域有限差分(FDTD)方法结合辅助差分(ADE)方法已经应用于太赫兹频段石墨烯吸收器的仿真分析中,但该方法需要采用极小的网格剖分石墨烯区域,导致其对石墨烯吸收器计算效率低。因此,提高计算效率尤为重要。本文在分析石墨烯相关理论和混合显隐式时域有限差分(HIE-FDTD)方法稳定性条件的基础上,采用ADE方法将太赫兹频段石墨烯的带内电导率引入到HIE-FDTD方法中,从而得到了石墨烯中色散HIE-FDTD方法的迭代公式,并对该方法的稳定性条件、CPML吸收边界、总场/散射场边界以及周期边界进行详细推导。在数值仿真中,通过无限大石墨烯结构验证色散HIE-FDTD方法的高效性。结果表明,该方法对石墨烯的仿真较FDTD方法计算速度更快。针对具有弯曲结构的石墨烯模型,在色散HIE-FDTD方法中引入共形技术形成了改进的色散HIE-FDTD方法,并采用改进的色散HIE-FDTD方法与色散HIE-FDTD方法分别对具有弯曲结构的石墨烯模型进行仿真。仿真结果表明,在保持相同计算精度条件下,改进的色散HIE-FDTD方法计算速度较色散HIE-FDTD提高了 5倍。最后设计了石墨烯的单频带和双频带太赫兹吸收器,并采用改进的色散HIE-FDTD方法对其进行了仿真分析。仿真结果表明,单频带石墨烯吸收器在2.68 THz附近对入射波的吸收率可达到99.8%。双频带石墨烯吸收器在1.66 THz和3.25 THz附近对入射波的吸收率均大于96%。因此,所设计的吸收器达到了对入射波较理想的吸收效果,该结构具有一定的参考价值。
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