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大型光學結構的電磁波模擬

模擬光學設計元件的軟體

波光學模組提供了專用的工具來模擬線性和非線性光學介質中的電磁波傳播,實現精確的元件模擬和光學設計優化。使用該模組,您可以在光學結構中進行頻域或時域的高頻電磁波模擬。模組還支持非均質和完全各向異性材料,以及具有增益或損益的光學介質,強化了光學介質模擬功能。波光學模組中提供了幾個二維和三維的公式,用於特徵頻率模式分析、頻域和時域電磁模擬。您可以使用後處理工具計算、可視化和分析物理現象,例如計算傳輸和反射係數。

 

分析所有類型的光學介質

簡單直接地在二維、二維軸對稱或三維空間中模擬光學傳感器、超材料、光學纖維、雙向耦合器、表面電漿器件、光子學中的非線性光學過程以及雷射束傳播。端口可以定義為輸入或輸出,通過多個端口可以自動提取包含光學結構的全部傳播和反射屬性的 S 參數矩陣。可以應用一系列不同的邊界條件來模擬,例如散射、週期性和不連續邊界條件等。完美匹配層(PML)非常適合於最低計算成本地模擬電磁波傳播進入無界自由空間。後處理功能使您可以對幾乎任何物理量進行可視化、計算或積分,因為您可以自由地編寫由場和衍生值組成的數學表達式。

一系列簡化光學模擬的工具

波光學模組可以模擬非均質、各向異性、非線性和色散材料(例如電導率、折射率、介電常數或磁導率)光學介質。為此,COMSOL Multiphysics ®提供了 3 x 3 張量(各向異性屬性)或者您也可以輸入任意代數方程來表示非線性、非均質和色散材料屬性。要對波長或頻率進行參數化掃描,您可以定義包含採用頻率或波長變量的表達式作為材料屬性。波光學模組允許用戶訪問底層方程,並可以通過數學表達式描述材料屬性,這種靈活性使得模組可以良好地模擬各種複雜材料,例如帶有工程屬性的旋磁和超材料。此外,還可以模擬高階衍射模式和梯度折射率材料的 Floquet 週期性結構。

其他現象對波光學的影響

與所有 COMSOL ®模組一樣,波光學模組可以與 COMSOL Multiphysics ®及其他專業模組無縫地集成。這種集成使您可以將其他物理場與電磁波傳播進行耦合。例如,您可以觀察雷射加熱,或者結構應力和形變對於光通過光學器件和元件傳播的影響。

利用創新性波束包絡算法進行精確的光學模擬

在電磁波傳播的瞬態研究中,通常假設隨時間發生的所有變化為正弦信號,使問題具有頻域時諧性。波光學模組具有許多用於模擬此類現象的接口。您還可以模擬信號失真很小的非線性問題。如果非線性影響很強,則需要對器件進行完全瞬態研究。

 

使用傳統方法求解光學傳播問題時,往往需要使用大量單元來解析每個波長。而且模擬光的傳播時,總是會涉及到小波長。通常情況下,模擬相關尺度比波長大的器件時,將需要大量的計算資源。然而,波光學模組使用創新性波束包絡方法來實現這種類型的模擬,減少對計算資源的依賴性。

 

計算電磁全波傳播的這種創新方法通過直接離散 Maxwell 方程組來克服傳統方法所需的近似計算。其中,電場表示為緩慢變化的包絡函數與快速變化的指數相函數的積。這使您可以利用軟體精確地模擬大型光學系統,其中系統的幾何尺寸遠大於波長,而且必須考慮光波的波特徵。波光學模組中也提供了常規的電磁全波傳播方法,可以在較小幾何模型中使用。