波动光学模块
波动光学模块
大型光学结构的电磁波仿真
光学元件：在本光波导示例中，绕圆环传播的波与沿直波导传播的波之间产生干扰。对于不连续相边界，使用场连续性边界条件来保证场的连续性。
模拟光学设计元件的软件
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。
分析所有类型的光学介质
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。
更多图片：
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DRUDE-LORENTZ 狭缝：描述了波前平直并具有高斯时间脉冲的的平面波通过包含亚波长狭缝的平板结构。并应用了周期性边界条件来创建狭缝阵列。 -
六角光栅：平面波入射到由突出的半球构成的六角反射光栅上。并针对多个波长计算不同衍射级的散射系数。
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光子晶体：波导可以使用具有光子带隙的高折射率柱阵列来构建。在一定的频率范围内，可以观察到良好的传导特性。
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等离子体线光栅：在基板上分布的银圆柱阵列，通过 Floquet 周期对一个晶胞来建模分析。通过仿真得到高阶衍射。
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散射纳米球：平面波照在纳米金球上，并得到其电磁散射大小。该金球属性描述为包含负数的复介电常数。模型结果得到了电磁热损耗大小。
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。
表面等离子体共振
Sergei Yushanov, Jeffrey S. Crompton, Luke T. Gritter, and Kyle C. Koppenhoefer AltaSim Technologies Columbus, OH USA
表面等离子体共振（SPR）由表面等离子体产生，因为任何两个材料之间存在相干电子振荡，而介电函数的实部会改变整个表面上的信号。SPR 技术是基于入射光透入一个表面上的电磁场分量，也可用于检测表面上的分子吸附。等离子体激发通常存在两种配置：Kretschmann-Raether 配置（其中一个薄金属膜置于电介质和空气之间，而且入射波来自电介质一侧）和 Otto 配置（其中电介质和金属之间存在气隙）。使用 COMSOL Multiphysics 软件，可以对电磁场上的 SPR 效果进行定义，这样有利于表面污染物和纳米光子器件的测量。
超材料使物理场看起来像变魔术
David Smith & Yaroslav Urzhumov Duke University Pratt School of ...
超材料是人造的结构材料，它们可以影响并控制波现象，这样那些通过超材料包围的对象便可以屏蔽这些波。在有光的情况下，超材料会使这些对象“不可见”。世界各地的研究人员将这些材料应用到很多不同的应用程序中。 在美国航空航天局 Glen 研究中心 ...
通过拥有 150 年历史的“完美影像”系统实现光刻分辨率的 100 倍提升
Juan Carlos Miñano and Dejan Grabovičkić Cedint Polytechnic University of Madrid Spain
“完美影像”的理念，即一种小于产生图像的光线波长的分辨率，于 19 世纪中期由著名的苏格兰物理学家 James Clerk Maxwell 首次提出。在接下来的 150 年里，人们普遍认为，这种技术是不可能实现的，因为事实上光在小于或等于波长的点周围发生衍射 ...
以 Brewster 角入射的高斯光束
本例演示在两个介质的界面上以 Brewster 角入射的高斯光束的偏振属性。模型显示如何使用“电磁波，波束包络”接口和用户定义的相位明细，使用“匹配边界条件”特征在边界上吸收以指定斜角入射的波。
Photonic Crystal
Photonic crystal devices are periodic structures of alternating layers of materials with different refractive indices. Waveguides ...
Mach-Zehnder 调制器
Mach-Zehnder 调制器常用来控制光波的大小。输入波导拆分成两个波导干涉仪的臂。如果在一条臂上施加电压，会产生相移，使波穿过该臂。当两个臂的波重新合并在一起时，两个波之间的相差转换成大小调制。 这是一个多物理场模型，显示如何将“电磁波，波束包络”接口与“静电”接口耦合起来描述真实的波导器件。
Drude-Lorentz 色散介质的瞬态建模
表面等离激元孔阵列在孔小于波长时仍然具有较大的透射率。这归因于表面等离极化激元的存在，它可以在孔中隧穿电磁能量，即使孔远小于波长时也是如此。 本例旨在作为一个教程，演示如何对分散介质中的全瞬态波动方程建模，其中的极化可以表达为 Drude-Lorentz 谐振项的总和。每个 Drude-Lorentz 极化场使用常微分方程求解，通过电场驱动。 二维几何中包含一个厚度为 1 微米的分散板，其中有一个宽度为 0.5 微米的裂隙。波长为 1 微米。应用周期性边界条件来表征物理上的裂隙阵列。入射波为一个平面波脉冲，波前为平面高斯波型。
六边形光栅
Modeling of Negative Refractive Index Metamaterial (Wave Optics)
It is possible to engineer the structure of materials such that both the permittivity and permeability are negative. Such materials ...
纳米棒
在一组密集的薄棒中入射高斯电磁波。棒间距和棒直径远小于波长。在这种情况下，棒阵列无法起到衍射光栅的作用，而是变成了一个连续的金属薄片，光沿着垂直于棒的方向极化，对这种电磁波，棒阵列几乎透明。
金纳米球的光散射
定向耦合器
两个内嵌的光波导靠在一起构成定向耦合器。包层材料是砷化镓，芯层材料是注入离子的砷化镓。波导由波导结构中的两个一阶超模（对称和反对称模式）激发。在激发边界和吸收边界使用了两个数字端口来定义这两种模式。设置了一个边界模式分析研究序列，先是四个边界模式分析，然后是一个频域研究。模型演示了波导之间的相互耦合。
单比特全息图
此模型模拟包含数据记录和检索的逐位全息数据存储，其中的数据为 1 比特。因此，模型中的对象激光束与参考激光束的剖面相同。 在记录过程中，两个激光束彼此相交，形成干涉条纹图样，即包含 1 比特数据的全息图。 在检索过程中，对象激光束关闭，随后参考激光束通过全息图发生折射，并创建对象激光束。 此模型通过“电磁波，频域”接口实现。可在一个研究序列中处理记录和检索两个步骤，方法是修改这两个研究步骤的物理场树。
