Модуль Волновая оптика

Analyze Micro- and Nano-Optical Devices with the Wave Optics Module

ОПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА: В данном примере оптического волновода волна распространяется по кольцу и интерферирует с другой волной, распространяющейся по прямому волноводу. Граничное условие непрерывности поля используется для создания непрерывного поля на границе с дискретной фазой.

Программное обеспечение для моделирования элементов оптических систем

Модуль Wave Optics (Волновая оптика) содержит специализированные средства анализа распространения электромагнитных волн в линейных и нелинейных оптических средах для точного моделирования компонентов и оптимизации конструкций оптических систем. С помощью этого модуля можно моделировать высокочастотные электромагнитные волны в оптических структурах, как в частотной, так и во временной области. В возможности моделирования оптических сред добавлена поддержка неоднородных и полностью анизотропных материалов, а также оптических сред с усилением или потерями. В модуле Wave Optics (Волновая оптика) имеется несколько формул (в двумерном и трехмерном вариантах) для анализа колебаний на собственных частотах, моделирования электромагнитных колебаний в частотной и во временной области. Средства постобработки, такие как алгоритмы расчета коэффициентов пропускания и отражения, позволяют рассчитывать, визуально представлять и анализировать необходимые явления.

Оптический анализ любых типов оптических сред

Модуль позволяет без затруднений выполнять моделирование оптических датчиков, метаматериалов, оптических волокон, двунаправленных ответвителей, плазмонических устройств, нелинейных оптических процессов в фотоэлектронике, а также распространения лазерных лучей. Это можно выполнять в двумерном, двумерном осесимметричном и трехмерном пространствах. Можно назначать входные и выходные порты, а также порты для автоматического вывода матриц S-параметров, содержащих полные данные о характеристиках пропускания и отражения оптической структуры с потенциально большим числом портов. Можно применять различные граничные условия для моделирования рассеивания в виде периодических или разрывных граничных условий. Идеально согласованные слои (PML) отлично подходят для моделирования распространения электромагнитных волн в неограниченном свободном пространстве, одновременно снижая затраты на вычисления. Функции постобработки дают возможность визуализации, оценки и интеграции практически любых возможных величин, поскольку можно свободно составлять математические выражения для полей и получаемых количественных параметров.

Дополнительные изображения с примерами:

ЩЕЛЬ ДРУДЕ-ЛОРЕНЦА: Входящий волновой импульс с плоским фронтом и Гауссовой формой во времени облучает геометрию, состоящую из одиночной дисперсионной пластинки субволновой щелью. Периодические граничные условия использованы для создания последовательности щелей.

ГЕКЗАГОНАЛЬНАЯ РЕШЕТКА: Плоская волна падает на отражающую гексагональную решетку, состоящую из выступающих полусфер. Рассчитаны коэффициенты рассеяния для различных дифракционных порядков для нескольких длин волн.

ФОТОННЫЙ КРИСТАЛЛ: Волновод может быть сконструирован с использованием последовательности сильно преломляющих элементов, имеющих фононную запрещенную зону. На определенных частотных диапазонах наблюдается хорошая волноводность.

ПЛАЗМОННАЯ ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА: последовательность серебрянных цилиндров, расположенных на подложке, моделируется с помощью одной элементарной ячейки с использованием периодичности Флоке. В процессе моделирования определяется дифракция старших порядков.

РАССЕИВАЮЩАЯ НАНОСФЕРА: Наноразмерная золотая сфера облучается плоской волной, и результирующее рассеивание измеряется. Золотая сфера охарактеризована негативной и комплексной диэлектрической проницаемостью. Результаты модели демонстрируют резистивные тепловые потери на сфере.

Разнообразные средства упрощения моделирования оптических систем

Модуль Wave Optics (Волновая оптика) позволяет моделировать оптические среды с неоднородными, анизотропными, нелинейными и дисперсионными свойствами материала, такими как проводимость, показатель преломления, диэлектрическая проницаемость или магнитная проницаемость. Для этого в среде COMSOL Multiphysics имеется доступ к соответствующему тензору размером 3*3, если свойство анизотропно, либо возможность вводить любые произвольные алгебраические выражения для свойств нелинейных, неоднородных и дисперсных материалов. При проведении параметрического анализа по длине волны и частоте можно задать свойства материала, в том числе и в виде формул для зависимостей от переменной частоты или длины волны. Такая гибкость доступа к основным уравнениям и математическим инструментам, описывающим свойства материала, делает модуль Wave Optics (Волновая оптика) идеально подходящим для моделирования трудных для описания материалов, например, гиромагнитных, а также метаматериалов с синтезированными свойствами. В нем также есть функции для моделирования регулярных структур Флоке с дифракционными режимами высокого порядка, а также материалов с градиентным показателем преломления.

Учет влияния иных явлений на волновую оптику

Как и все прочие продукты COMSOL, модуль Wave Optics (Волновая оптика) без проблем интегрируется с другими модулями среды COMSOL Multiphysics и с модулями расширений. Такая интеграция позволяет совместно рассматривать распространение электромагнитных волн и другие физические явления. Например, можно контролировать лазерный нагрев или влияние структурных напряжений и деформаций на распространение света в оптических устройствах и компонентах.

Точное оптическое моделирование инновационным методом огибающей луча

При исследовании распространения электромагнитных волн в зависимости от времени часто принимается, что все изменения во времени происходят по синусоидальному закону. Это делает задачу гармонической во времени и позволяет рассматривать ее в частотной области. Модуль Wave Optics (Волновая оптика) имеет ряд интерфейсов для моделирования такого явления. Кроме того, благодаря некоторым функциям этого модуля можно моделировать нелинейные задачи, в которых искажение сигнала невелико. Если влияние нелинейности велико, требуется полное исследование поведения устройства во времени.

При решении задач распространения волн в оптических средах традиционными методами требуется значительное число элементов для расчета каждой распространяющейся волны. Моделирование распространения света всегда связано с рассмотрением волн малой длины. Обычно моделирование компонентов и устройств, размеры которых много больше длины волны, требует больших вычислительных ресурсов. Вместо этого, подход, применяемый в модуле Wave Optics (Волновая оптика), предполагает использование инновационного метода огибающей луча.

Этот новый метод полноволнового анализа распространения электромагнитных волн устраняет необходимость в традиционных аппроксимациях благодаря прямой дискретизации уравнений Максвелла. Электрическое поле при этом выражается как произведение медленно меняющейся огибающей функции и быстро меняющейся экспоненциальной функции фазы. Это позволяет выполнять точное моделирование оптически больших систем, геометрические размеры которых могут быть много больше длины волны, в которых аппроксимация световых волн с помощью лучей невозможна. Традиционный метод полноволнового анализа распространения электромагнитных волн также включен в модуль Wave Optics (Волновая оптика) и может использоваться для моделирования структур небольших размеров.