波动光学模块

大型光学结构的电磁波仿真

波动光学模块

由两个相互作用的波导构成的定向耦合器。

光学设计元件仿真

波动光学模块提供了专用的工具来模拟线性和非线性光学介质中的电磁波传播,实现精确的元件仿真和光学设计优化。使用该模块,您可以在光学结构中进行频域或时域的高频电磁波仿真。模块还支持非均质和完全各向异性材料,以及具有增益或损益的光学介质,强化了光学介质模拟功能。波动光学模块中提供了几个二维和三维的公式,用于特征频率模式分析、频域和时域电磁仿真。您可以使用后处理工具计算、可视化和分析物理现象,例如计算传输和反射系数。

对所有类型的光学介质进行光学分析

简单直接地在二维、二维轴对称或三维空间中仿真光学传感器、超材料、光学纤维、双向耦合器、电浆子器件、光子学中的非线性光学过程以及激光束传播。端口可以定义为输入或输出,通过多个端口可以自动提取包含光学结构的全部传播和反射属性的 S 参数矩阵。可以应用一系列不同的边界条件来仿真,例如散射、周期性和不连续边界条件等。完美匹配层(PML)非常适合于最低计算成本地仿真电磁波传播进入无界自由空间。后处理功能使您可以对几乎任何物理量进行可视化、计算或积分,因为您可以自由地编写由场和派生值组成的数学表达式。

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  • Gaussian 光束射入 BK-7 光学玻璃,光纤中心的折射率最高,这会抵消衍射效应,并实际上使光束聚焦。该图显示了压缩视图,以及仿真中使用的光纤的真实纵横比。 Gaussian 光束射入 BK-7 光学玻璃,光纤中心的折射率最高,这会抵消衍射效应,并实际上使光束聚焦。该图显示了压缩视图,以及仿真中使用的光纤的真实纵横比。
  • 不同频率下 Fabry-Perot 空腔内的能量密度。通过该图,可以确定谐振频率和 Q 因子。 不同频率下 Fabry-Perot 空腔内的能量密度。通过该图,可以确定谐振频率和 Q 因子。
  • 平面波照亮金球,检测散射。图中显示了 E 平面(蓝色)和 H 平面(绿色)中的远场辐射图,以及阻抗热损耗。 平面波照亮金球,检测散射。图中显示了 E 平面(蓝色)和 H 平面(绿色)中的远场辐射图,以及阻抗热损耗。

一系列简化光学仿真的工具

波动光学模块可以仿真非均质、各向异性、非线性和色散材料(例如电导率、折射率、介电常数或磁导率)光学介质。为此,COMSOL Multiphysics 提供了 3 x 3 张量(各向异性属性)或者您也可以输入任意代数方程来表示非线性、非均质和色散材料属性。要对波长或频率进行参数化扫描,您可以定义包含采用频率或波长变量的表达式作为材料属性。波动光学模块允许用户访问底层方程,并可以通过数学表达式描述材料属性,这种灵活性使得模块可以良好地模拟各种复杂材料,例如带有工程属性的旋磁和超材料。此外,还可以仿真高阶衍射模式和梯度折射率材料的 Floquet 周期性结构。

其他现象对波动光学的影响

与所有 COMSOL 模块一样,波动光学模块可以与 COMSOL Multiphysics 及其他专业模块无缝地集成。这种集成使您可以将其他物理场与电磁波传播进行耦合。例如,您可以观察激光加热,或者结构应力和形变对于光通过光学器件和元件传播的影响。

利用创新性波束包络算法进行精确的光学模拟

在电磁波传播的瞬态研究中,通常假设随时间发生的所有变化为正弦信号,使问题具有频域时谐性。波动光学模块具有许多用于仿真此类现象的接口。您还可以仿真信号失真很小的非线性问题。如果非线性影响很强,则需要对器件进行完全瞬态研究。

使用传统方法求解光学传播问题时,往往需要使用大量单元来解析每个波长。而且仿真光的传播时,总是会涉及到小波长。通常情况下,模拟相关尺度比波长大的器件时,将需要大量的计算资源。然而,波动光学模块使用创新性波束包络方法来实现这种类型的仿真,减少对计算资源的依赖性。

计算电磁全波传播的这种创新方法通过直接离散 Maxwell 方程组来克服传统方法所需的近似计算。其中,电场表示为缓慢变化的包络函数与快速变化的指数相函数的积。这使您可以利用软件精确地仿真大型光学系统,其中系统的几何尺寸远大于波长,而且必须考虑光波的波动特征。波动光学模块中也提供了常规的电磁全波传播方法,可以在较小几何模型中使用。

Metamaterials Make Physics Seem Like Magic

Surface Plasmon Resonance

A 100-Fold Improvement in Lithography Resolution Realized with a 150-Year-Old “Perfect Imaging” System

Nanorods

Photonic Crystal

Plasmonic Wire Grating

Step Index Fiber Bend with Bending Loss

Gaussian Beam Incident at Brewster Angle

Directional Coupler

Optical Scattering by Gold Nanospheres

Second Harmonic Generation from a Gaussian Beam

Modeling of Negative Refractive Index Metamaterial

Dielectric Slab Waveguide