FDTD simulation of the propagation of electromagnetic waves in an inhomogeneous magnetized cold plasma

The main purpose of this work is the description of inhomogeneous magnetized cold plasma's behaviour during the interaction with an electromagnetic wave and through a Full-wave code based on the FDTD approach. Also called Yee's method, it belongs to the class of grid-based differential numerical modeling methods and it gives direct solutions of Maxwell's equations. It has been used in a great variety of electromagnetic problems involving the analysis and design of electromagnetic propagation and other engineering applications. Only more recently it has been used to model wave propagation in dispersive and anisotropic media including magnetoactive plasmas. This interest is due to the great number of anisotropic material, mainly used in optical signal processing. Also the medium used in this work, the plasma, exhibits an anisotropic behavior when an external magnetic field is applied. In the first part of the thesis a simpler situation has been developed, either for 1D or 2D cases; rather than starting directly from a plasma medium, an arbitrary dielectric has been modeled and the wave propagation through it has been studied. After the computation of reflection and transmission coefficients, and the evaluation of transmitted and reflected power for some test cases, the same simulations have been generalized to a configuration where the dielectric has been substituted by a cold plasma. The full-wave code has been applied first to the case of a collisionless unmagnetized cold plasma and a normally incident wave, then removing the simplifying hypotheses one at a time, the most general case has been simulated: collisional magnetoactive plasma and oblique incidence of the source wave.

L'obiettivo di questo lavoro è la descrizione del comportamento di un plasma non omogeneo magnetizzato in seguito all'interazione con un'onda elettromagnetica. A questo scopo si è utilizzato un codice Full-wave, il metodo FDTD. Anche chiamato metodo di Yee, è un metodo di modellizzazione numerica basato sulle equazioni differenziali; è stato utilizzato in un'ampia gamma di problemi di elettromagnetismo, dall'analisi al design di problemi di propagazione elettromagnetica e altre applicazioni ingegneristiche. Solo più recentemente questo metodo è stato applicato per descrivere la propagazione di onde in mezzi dispersivi e anisotropi, inclusi i materiali magneto attivi. L'interesse in questo ambito è dovuto alla varietà di materiali anisotropi, utilizzati soprattutto nell'ottica dei segnali. Anche il mezzo protagonista di questa tesi, il plasma, mostra il suo comportamento anisotropo quando si trova in presenza di un campo magnetico esterno. Nella prima parte di questa tesi è stato sviluppato il caso più semplice, sia per la configurazione 1D che per quella 2D. Inizialmente è stato modellizzato un mezzo meno complesso di un plasma, ovvero un dielettrico arbitrario, ed è stata descritta la propagazione di un'onda elettromagnetica attraverso di esso. In seguito alla valutazione della potenza trasmessa e riflessa per alcuni casi test, e il calcolo dei coefficienti di riflessione e trasmissione, il problema investigato è stato generalizzato al caso di una configurazione contenente un plasma freddo. Il codice full-wave è stato inizialmente applicato ad una situazione specifica, in cui vi fosse un plasma freddo non collisionale e non magnetizzato e una sorgente che avesse un'incidenza ortogonale rispetto alla superficie. Progressivamente le varie ipotesi semplificative sono state rimosse per arrivare alla situazione generale di plasma freddo collisionale e magnetizzato, e onda con incidenza non normale.