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波動光學模組COMSOL Multiphysics ®軟體平臺的一個附加產品,供工程師和科研人員用來理解、預測和研究電磁波在光學應用中的傳播和諧振效應。這種模擬通過分析設計方案中的電磁場分佈、透射和反射係數,以及功率損耗,可以提供更加強大、高效的產品和工程方法。

在對光子器件、集成光路、光波導、耦合器、光纖等設計進行優化時,您需要考慮實際的應用場景。COMSOL Multiphysics ®軟體的多物理場建模功能可以説明您研究其他物理場對光學結構的影響;例如,應力-光、電-光、聲-光效應以及電磁熱。

使用波束包絡法類比大型光學問題

除了傳統的數值方法以外,波動光學模組還提供專用的波束包絡方法,可用於類比大型光學器件。與傳統技術相比,這種方法能夠大幅節省所需的計算資源,其應用包括定向耦合器、光纖布拉格光柵、透鏡系統、波導、外部光學系統、光纖耦合、雷射二極體堆,以及雷射光束傳輸系統。

波束包絡法能夠在不依賴近似方法的情況下,分析大型光學問題模擬中緩慢變化的電場包絡。與傳統方法相比,該方法在求解各個波的傳播時所需的網格單元數要少得多。


波動光學模組支援的建模對象

使用 COMSOL® 軟體執行各種光學分析


光纖

光纖中的模態分析和波傳播。

光束傳播

高斯波或平面波在電介質或自由空間中的傳播。


波導

計算波導的透射和反射係數。

波導耦合器

分析近距離波導之間的物理場耦合。


光散射

平面波和高斯光束的散射。




電漿光子學

表面電漿子和電漿極化子的電磁激發。





光子晶體

光子晶體和帶隙結構。

非線性光學

二次諧波產生、自聚焦效應和其他非線性效應。


雷射腔

雷射腔的諧振頻率和閾值增益。

光柵和超材料

光柵、超材料和一般週期性結構的透射、反射和衍射。


應力-光學效應1

波導中應力誘導的雙折射效應。

光電子學2

光電子器件中的發射、吸收和折射率的變化情況。

1. 需要“結構力學模組”或“MEMS 模組”

2. 需要“半導體模組”


波動光學模組的特徵和功能

請閱讀以下各節內容,深入瞭解波動光學模組的特點和功能


全波電磁學分析

借助波動光學模組,您可以在二維、二維軸對稱和三維域中快速、輕鬆地建立模型,並使用內置的基本邊界條件和高級邊界條件來執行模擬分析。

模擬工作流程簡單明瞭,一般可以通過以下步驟進行描述:創建或導入幾何、選擇材料、選擇合適的波動光學 介面、定義邊界條件和初始條件、定義網格、選擇求解器以及將結果視覺化。所有這些步驟都可以在 COMSOL Multiphysics® 環境中執行。軟體會自動設置網格劃分和求解器,並提供手動編輯選項。

波動光學模組的功能涵蓋了根據麥克斯韋方程以及適用於各種介質中傳播的材料定律的電磁場和波模擬。您可以通過內置的使用者介面來使用建模功能,從而分析光學和光子器件中的波現象。

波動光學模組支援在頻域和時域進行建模,包括特徵頻率和模式分析。

邊界條件

電磁波建模需要高度專業化的邊界條件,包括對無界域以及超材料等週期性結構進行建模的功能。例如,為週期性超材料建模時需要能夠處理任意入射角和衍射級的週期性埠。對波導和光纖進行常規建模時,需要數值模式匹配的埠來正確地饋送入射光波導。

波動光學模組中的重要邊界條件

  • 理想電導體(PEC

  • 阻抗(有限電導率)

  • 過渡(有損導電薄板)

  • 具有任意衍射級的週期性埠

  • Floquet Bloch 週期邊界

  • 散射(吸收)邊界

    • 解析形狀

    • 數值(模式匹配)


光學材料

您既可以使用內置光學材料資料庫中的材料,也可以定義自己的材料;您可以指定相對介電常數或折射率,還可以包含更高級的材料屬性,如德拜、Drude-Lorentz Sellmeier 色散。材料還可以呈各向異性,也可以具有功能梯度。

通過直接在軟體中修改材料定義、控制麥克斯韋方程組或邊界條件,您可以實現對模擬的完全控制。憑藉這種強大的靈活性,您可以創建各種用戶定義的材料,包括帶有工程屬性的超材料以及旋磁和手性材料。

光學器件中的多物理場效應

您可以將波動光學模組與任何其他模組耦合,用來類比多物理現象,所有這些模組都與核心的 COMSOL Multiphysics® 軟體平臺實現無縫集成。這意味著,不論您為何種應用領域或物理場建模,都可以遵循同樣的建模工作流程。

您可以研究機械變形對器件性能的影響,包括應力-光學效應。同樣,您也可以研究傳熱、熱應力和熱耗散對器件的影響。

不僅如此,您還可以類比各種物理現象如何用於調製目的,例如聲光、電光和磁光效應。

通過將本模組與品質傳遞模擬相結合,您可以計算具有各向異性擴散係數的真實折射率曲線,並將結果用於電磁學分析。


資料視覺化和提取

您可以使用電場和磁場、反射率、透光率、衍射效率、S 參數、功率流和耗散等繪圖來呈現結果。另外,還可以根據可自由定義的物理量來創建非標準運算式的視覺化效果。這樣一來,您便可以通過檢查結果的幾乎每個方面來獲得更深入的瞭解。

週期性結構

週期性結構是許多工程電磁結構的基礎,這些結構用於偏振和亞波長成像以及衍射光學等應用。在波動光學模組中,您可以使用 Floquet 週期條件和不同的衍射級對這些結構(包括它們的高階衍射模式)進行建模。利用這些特徵,您可以準確地設計超表面和其他平面光學元件。


非線性光學

波動光學模組提供多個特徵,用於在時域和頻域類比非線性光學問題。您可以在頻域中為自聚焦等現象使用場相關的材料屬性,也可以將多個頻域分析進行耦合,以類比不同頻率下的兩個或多個波之間的混合(比如:和頻或差頻產生)。通過引入非線性偏振項,您還可以通過此方法使用連續波(CW)雷射器或其他准穩態現象進行非線性模擬。時域中也具有類似的靈活性,您可以修改偏振或殘餘電位移項,以實現更高級的建模場景,如超快現象。

散射

您可以使用散射場公式輕鬆地建立金納米粒子的精確散射模型等。通過採用這種方法,您可以在波動光學模組中選擇入射平面波、高斯光束(有或沒有近軸近似)或用戶定義的激勵,然後求解由所選激勵引起的散射場。通過使用完美匹配層(PML)的出射輻射吸收功能,模擬域可以近似為無限空間,並通過 PML 來吸收各種頻率和入射角範圍內的輻射。您可以使用近遠場變換來分析散射體的遠場輻射。


軟體展示需求

每一間公司對於模擬的需求不盡相同,為了能有效地評估COMSOL MultiphysicsR軟體是否能符合您的需求,請您與我們聯繫!

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