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推进技术 2023年第6期44卷 150-170页

作者：任军学潘若剑毛仁凡汤海滨北京航空航天大学宇航学院北京102206 北京航空航天大学空间与环境学院北京102206 航天器设计优化与动态模拟技术教育部重点实验室北京102206 空间环境监测与信息处理工业和信息化部重点实验室北京102206

电推进装置的粒子模拟手段由于其第一性强、物理假设少的特点,可以很好地保留推力器的各种非线性物理过程性质,但计算负担极大,并行计算是一种有效方法计算时间的方法。本文总结了国内外研究现状;分析了粒子算法中并行计算的计算机实现... 详细信息

电推进装置的粒子模拟手段由于其第一性强、物理假设少的特点,可以很好地保留推力器的各种非线性物理过程性质,但计算负担极大,并行计算是一种有效方法计算时间的方法。本文总结了国内外研究现状;分析了粒子算法中并行计算的计算机实现,对并行计算的基础进行了介绍;针对并行计算中的关键技术问题,即粒子部分的并行算法设计、电磁场求解的并行算法设计和计算负载均衡问题进行了概述;最后对电推进装置中并行计算方法进行了总结和展望。

关键词：电推进粒子仿真并行计算电磁场求解负载均衡

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光在各向异性介质中传播的简易电磁学求解方法

光在各向异性介质中传播的简易电磁学求解方法

引用

作者：潘剑波华南理工大学

学位级别：硕士

光学在物理学的发展历史中一直占据着重要的地位,不管是光学启蒙时期还是现代光学时期,对于光在两种不同介质界面处的反射、折射以及介质中的传播和演化一直是一个广泛讨论的话题。几何光学的内容可以直观简洁的描述各向同性介质界面处... 详细信息

光学在物理学的发展历史中一直占据着重要的地位,不管是光学启蒙时期还是现代光学时期,对于光在两种不同介质界面处的反射、折射以及介质中的传播和演化一直是一个广泛讨论的话题。几何光学的内容可以直观简洁的描述各向同性介质界面处的反射与折射,给出著名的反射折射定律,而对于各向异性的介质,光的电磁学理论可以详实地说明界面处的入射波、反射波与折射波的振幅和相位关系。虽然麦克斯韦总结发展的电磁学已经建立了一套比较完善的理论方法来研究光在各向异性介质界面处的反射、透射和演化的特性,但是在实际案例中(如单轴晶体)依旧存在计算过程较为繁琐的问题。在此基础上,我们在本论文中发展了一个基于电磁理论的简易方法,能够以简明扼要的方式建立单轴晶体晶体光学的完整图景。该方法不仅给出了双折射晶体众所周知的椭圆折射角和折射率,而且揭示了许多相关的物理量和光学量,这些物理量和光学量被研究和了解的相对较少。首先是在给定入射角下的情况下,计算了光在晶体表面的振幅和强度的反射系数和透射系数,并展示了晶体内的电磁场分布。接着,推导了光的波前折射角和能流折射角,以及相应的相位和光线折射率。发现它们之间存在很大的区别,相位折射率满足椭圆的经典折射率和斯涅尔定律,而光线折射率不满足。此外,还揭示了零反射布儒斯特角和全内反射临界角的显式表达式。为了更好地演示概念,以弱双折射铌酸锂晶体和强双折射碲晶体为例,进行了简单的理论计算。并且对z切铌酸锂板进行了实验测量,发现理论和实验在布鲁斯特角方面有很好的一致性。理论和实验的结果有助于对双折射晶体中的光传输特性建立一个清晰而完整的图景,并有可能帮助人们用电磁理论找到双折射晶体中发生的许多光和物质相互作用过程的严格解,例如非线性光学相互作用。紧接着,我们进一步关注磁光晶体在平行于晶体界面的偏置磁场作用下,TE(Transverse Electric)偏振的平面电磁波在晶体表面反射、透射及其在晶体内部传播的情况。同样的,利用该求解方法,可以很容易地获得所有相关物理量的显式公式,例如电磁场分布、能流、布鲁斯特角、强度的反射/透射系数。通过分析这些公式,并且在入射平面波频率为14 GHz下进行数值计算,发现磁光晶体中电磁场是螺旋演化的,它由电磁场分布方程完美地表示出来。接着,绘制了入射角相关的反射率和透射率变化曲线图,发现大约在偏置磁场为300 Gauss～415Gauss范围内,存在布鲁斯特角。而且在该条件下的布鲁斯特角是可调的,可以通过改变偏置磁场的大小使布鲁斯特角在0°～90°范围内变化。此外,还讨论了反射波和透射波的相位变化,发现其相位变化与各向同性介质中大不相同。接着,给出了不同角度入射下的古斯—汉欣位移变化,发现古斯—汉欣位移的方向和幅度可以通过改变外部磁场的方向和大小来调整,且位移的极大值发生于布鲁斯特角。综上所述,本论文提出的简易电磁学方法可简单有效地求解电磁波在双折射晶体以及磁光介质中的传播,获得全面、系统而又精细的物理理解。该方法严格精确、简单易行,有望将其推广应用于求解更加复杂的各向异性介质(如双轴晶体)的电磁波传输问题,并展现其中可能蕴含的独特而有趣的物理现象。

关键词：电磁场求解单轴晶体磁光晶体折射率椭圆布鲁斯特角古斯汉欣位移

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