Обновления модуля Волновая оптика

Для пользователей модуля Волновая оптика COMSOL Multiphysics® версии 5.2a предлагает новый инструмент — Область поляризации — для облегчения моделирования нелинейного смешивания частот и нелинейных параметрических процессов, увеличения гибкости настроек интерфейса Electromagnetic Waves, Beam Envelopes (Электромагнитные волны, Огибающая пучка) и многого другого. Подробный обзор обновлений модуля Волновая оптика будет представлен ниже.

Функция Polarization Domain (Область поляризации)

В различных интерфейсах для расчетов в частотной области теперь может быть добавлена новая функция Polarization Domain (Область поляризации). Это позволяет упростить моделирование как нелинейного смешивания частот, например, генерацию суммарных и разностных частот, так и нелинейных параметрических процессов. Поляризация (Polarization) является подузлом в интерфейсах Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Электромагнитные волны, Частотная область) и Electromagnetic Waves, Beam Envelopes (Электромагнитные волны, Огибающая пучка).

Пример использования инструмента Polarization Domain (Область поляризации) находится в Библиотеке приложений и имеет следующий путь:

Wave_Optics_Module/Verification_Examples/second_harmonic_generation_frequency_domain

Новое приложение: Polarizing Beam Splitter (Поляризационный расщепитель пучка)

Кубы поляризационного светоделителя состоят из двух прямоугольных призм, на контактные поверхности которых нанесено диэлектрическое покрытие. Куб пропускает одну часть падающей волны, отражая при этом другую. Преимуществом конструкции светоделителя в виде куба по сравнению с пластиной является отсутствие паразитных изображений.

Новое приложение использует базовую конструкцию типа MacNeille, состоящую из парных слоев с разным (высоким и низким) показателем преломления и позволяющую выбрать количество составляющих светоделитель слоев. Вы можете указать показатели преломления для призм и слоев в диэлектрическом блоке как непосредственно, так и с помощью заранее заданного списка материалов.

Параметрический анализ может быть выполнен для диапазона длин волн или радиусов контактного пятна. Приложение отображает норму общего электрического поля и электрического поля для первой и второй волны при заданной длине волны или радиусе контактного пятна и поляризации. Также отображаются показатели отражения и пропускания.

Путь в Библиотеке приложений:

Wave_Optics_Module/Applications/polarizing_beam_splitter

Экран приложения Polarizing Beam Splitter (Поляризационный расщепитель пучка). В графическом окне справа отображается падающий слева пучок, который отражается вверх от блока тонких пленок, размещенного на границе между двух призм. Можно выполнить параметрический анализ длины волны или радиуса пятна контакта. В дополнение к геометрии и сетке в графическом окне могут отображаться электрическое поле, показатели отражения и пропускания, а также профили показателя преломления. Экран приложения Polarizing Beam Splitter (Поляризационный расщепитель пучка). В графическом окне справа отображается падающий слева пучок, который отражается вверх от блока тонких пленок, размещенного на границе между двух призм. Можно выполнить параметрический анализ длины волны или радиуса пятна контакта. В дополнение к геометрии и сетке в графическом окне могут отображаться электрическое поле, показатели отражения и пропускания, а также профили показателя преломления.

Экран приложения Polarizing Beam Splitter (Поляризационный расщепитель пучка). В графическом окне справа отображается падающий слева пучок, который отражается вверх от блока тонких пленок, размещенного на границе между двух призм. Можно выполнить параметрический анализ длины волны или радиуса пятна контакта. В дополнение к геометрии и сетке в графическом окне могут отображаться электрическое поле, показатели отражения и пропускания, а также профили показателя преломления.

Пользовательские характеристики волнового вектора

Интерфейс физики Electromagnetic Waves, Beam Envelopes (Электромагнитные волны, Огибающая пучка) получил новые возможности по настройке благодаря новому разделу User Defined Wave Vector Specification (Пользовательские характеристики волнового вектора) в окне настроек. Этот раздел дает возможность правильно задать волновой вектор для областей идеально согласованного слоя (PML) с помощью опции задание пользовательских настроек фазы (User defined). Настройки по умолчанию в данном случае могут оказаться ошибочными. Выбрав пункт User defined (Задается пользователем) в разделе Type of phase specification list (Список видов задания фазы), вы увидите новый раздел User Defined Wave Vector Specification (Пользовательские характеристики волнового вектора), который позволяет задавать особые настройки, например, для областей Идеально согласованного слоя.

Обновленное приложение: Plasmonic Wire Grating Analyzer (Анализатор плазмонной дифракционной решетки)

Поверхностные контуры на основе плазмонов находят применение в таких областях, как плазмонные микросхемы, осветительные приборы и нанолитография. Приложение Plasmonic Wire Grating Analyzer (Анализатор плазмонной дифракционной решетки) вычисляет коэффициенты рефракции, зеркального отражения и дифракции первого порядка в виде функций угла падения на плазмонную решетку, размещенную на диэлектрической подложке.

Данная модель описывает ячейку решетки, для которой периодичность определяется граничными условиями Флоке. Инструменты для постобработки позволяют увеличить количество единичных ячеек и получить визуализацию в третьем измерении.

В приложение встроены возможности для анализа угла наклона планарной волны от нормального до угла падения на структуру решетки. Также приложение позволяет изменять радиус проволоки и периодичность или размер единичной ячейки. Кроме того, длина волны и направление поляризации также являются настраиваемыми параметрами. Приложение визуализирует норму электрического поля для решеток различной периодичности, выбранных углов наклона, отображает вектора падающей волны и волновых векторов для всех режимов отражения и пропускания, а также выводит графики показателей отражения и пропускания.

Путь в Библиотеке приложений: Wave_Optics_Module/Applications/plasmonic_wire_grating.

Приложение Plasmonic Wire Grating Analyzer (Анализатор плазмонной дифракционной решетки) вычисляет эффективность дифракции пропущенных и отраженных волн, а также первый и второй порядки дифракции для проволочной решетки, размещенной на диэлектрической подложке. Пользователь может изменить длину волны, поляризацию, характеристики материала, периодичность и радиус. Приложение Plasmonic Wire Grating Analyzer (Анализатор плазмонной дифракционной решетки) вычисляет эффективность дифракции пропущенных и отраженных волн, а также первый и второй порядки дифракции для проволочной решетки, размещенной на диэлектрической подложке. Пользователь может изменить длину волны, поляризацию, характеристики материала, периодичность и радиус.

Приложение Plasmonic Wire Grating Analyzer (Анализатор плазмонной дифракционной решетки) вычисляет эффективность дифракции пропущенных и отраженных волн, а также первый и второй порядки дифракции для проволочной решетки, размещенной на диэлектрической подложке. Пользователь может изменить длину волны, поляризацию, характеристики материала, периодичность и радиус.

Новая учебная модель: Second Harmonic Generation in the Frequency Domain (Генерация второй гармоники в частотной области)

Генерация лазерного излучения в коротковолновой части видимого и близкого к видимому диапазоне электромагнитных спектров гораздо сложнее, чем в длинноволновой части. Благодаря нелинейному смешиванию частот стало проще создавать новые короткие волны из существующих волн лазерного излучения.

Данная учебная модель описывает процесс генерации второй гармоники, при котором свет основной частоты пропускается через кристалл с нелинейными оптическими характеристиками, благодаря чему происходит генерация светового излучения на частоте второй гармоники.

В учебной модели объединены два интерфейса Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Электромагнитные волны, Частотная область) — один служит для моделирования волны на основной частоте, а другой — для моделирования волны на частоте второй гармоники, используя инструмент Domain Polarization (Поляризация области) для каждого из интерфейсов.

Результаты демонстрируют, как энергия передается с основной частоты на частоту второй гармоники, вызывая уменьшение амплитуды волны на основной частоте; одновременно с этим амплитуда волны на частоте второй гармоники увеличивается с нулевого значения по мере прохождения волны через кристалл. Полученные результаты сравниваются с решением, полученным аналитическим путем с помощью аппроксимации медленно меняющейся формы (SVEA).

Путь в Библиотеке приложений:

Wave_Optics_Module/Verification_Examples/second_harmonic_generation_frequency_domain

График y-поляризации электрического поля для волны на основной частоте (вверху) и волны на частоте второй гармоники (внизу). Обратите внимание, что амплитуда волны на частоте второй гармоники увеличивается по ходу распространения, так как данной волне передается энергия волны основной частоты. Из графика также видно, что длина волны на частоте второй гармоники представляет собой половину длины волны основной частоты. График y-поляризации электрического поля для волны на основной частоте (вверху) и волны на частоте второй гармоники (внизу). Обратите внимание, что амплитуда волны на частоте второй гармоники увеличивается по ходу распространения, так как данной волне передается энергия волны основной частоты. Из графика также видно, что длина волны на частоте второй гармоники представляет собой половину длины волны основной частоты.

График y-поляризации электрического поля для волны на основной частоте (вверху) и волны на частоте второй гармоники (внизу). Обратите внимание, что амплитуда волны на частоте второй гармоники увеличивается по ходу распространения, так как данной волне передается энергия волны основной частоты. Из графика также видно, что длина волны на частоте второй гармоники представляет собой половину длины волны основной частоты.

Новая учебная модель: Single-Bit Hologram (Однобитовая голограмма)

При пересечении двух когерентных пучков света возникает интерферограмма. В случае если это происходит в светочувствительном материале, а интенсивность превышает пороговое значение, интерферограмма записывается в материал в виде модуляции показателя преломления и возникает голограмма.

В данной учебной модели один пучок попадает на левую границу обладающего голографическими свойствами материала, а второй — на верхнюю границу. Данный процесс моделирует работу побитового голографического запоминающего устройства, включая как процесс записи, так и извлечения данных. Во время записи пересечение двух лучей создает интерферограмму, которая записывается в голограмме в виде одного бита данных.

Путь в Библиотеке приложений:

Wave_Optics_Module/Gratings_and_Metamaterials/single_bit_hologram

Интерферограмма в процессе записи. Опорный пучок падает слева, предметный — сверху. На левом графике представлена сумма электрического поля двух пучков, а на правом — распределение интенсивности двух пересекающихся пучков. Интерферограмма в процессе записи. Опорный пучок падает слева, предметный — сверху. На левом графике представлена сумма электрического поля двух пучков, а на правом — распределение интенсивности двух пересекающихся пучков.

Интерферограмма в процессе записи. Опорный пучок падает слева, предметный — сверху. На левом графике представлена сумма электрического поля двух пучков, а на правом — распределение интенсивности двух пересекающихся пучков.