Волновая оптика

Полноволновой электромагнитный анализ

Инструменты модуля «Волновая оптика» позволяют с минимумом усилий создавать 2D, 2D осесимметричные и 3D модели. Доступен большой набора фундаментальных и продвинутых граничных условий.

Рабочий процесс построения модели прямолинеен и типичен для программы: создание или импорт геометрии, задание материалов и их моделей, выбора подходящего физического интерфейса из группы Wave Optics, настройка граничных и начальных условий, генерация конечно-элементной сетки, выбор исследования и решателя, постобработка результатов расчёта. Все эти этапы доступны через UI COMSOL Multiphysics^®, в т.ч. их настройки можно редактировать вручную.

Функционал модуля «Волновая оптика» рассчитан на моделирование электромагнитных волновых процессов в оптических и фотонных системах на основе уравнений Максвелла в различных средах с типовыми для индустрии моделями материалов. Поддерживаются исследования в частотной и временной области, а также модальный анализ и анализ на собственные значения.

Оптические материалы

При построении моделей можно использовать данные материалов из встроенной библиотеки или указать свои. Обычно заданы или задаются относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости или коэффициент рефракции. Также можно использовать готовые модели материала с заданием дисперсии по Дебаю, Друде-Лоренцу или Зельмееру. При настройке модели вы можете задавать как линейные и изотропные свойства, так и неоднородные, анизотропные, нелинейные и дисперсионные соотношения.

Гибкость настроек программы позволяет модифицировать свойства материалов и граничные условия, что может быть полезно при описании пользовательских материалов, метаматериалов, гиромагнитных и хиральных сред.

Визуализация и экспорт данных

После проведения расчётов вы можете использовать предустановленные графики для визуализации распределений электрических и магнитных полей, коэффициентов отражения и прохождения, потока мощности, потерь, характеристик в дальней зоне и т.п. Вы также можете выводить в виде графиков или таблиц любые пользовательские выражения для получения исчерпывающей информации о поведении исследуемой системы.

Нелинейная оптика

Инструменты модуля «Волновая оптика» позволяют описывать нелинейные оптические эффекты как во временной, так и в частотной области. В частотной области вы можете задать частотно-зависимые свойства материалов и учесть эффекты самофокусировки, вы также можете задать несколько физических интерфейсов, связать их между собой через поляризацию и оценивать смешивание частот, в т.ч. генерацию суммарной или разностной частоты в лазерах непрерывного излучения. Схожий функционал для расчётов во временной области позволит дополнительно исследовать импульсные и сверхскоротечные режимы.

Граничные условия

Для высокоточного моделирования э/м волновых процессов требуется большой набор граничных условий, позволяющих описывать открытые задачи, периодичность, возбуждение и согласование определенной моды на границе волновода и т.п. Например, при моделировании периодических структур и метаматериалов требуются т.н. периодические порты, позволяющие описывать различные дифракционные порядки на отражение и прохождение в системе. При моделировании оптических волноводов и оптоволоконных систем требуются т.н. числовые порты, позволяющие возбудить и согласовать предварительно рассчитанную моду на торце устройства.

Список ключевых ГУ, доступных в модуле «Волновая оптика»

• Идеальный электрический проводник (PEC)
• Импеданс (граница с конечной проводимостью)
• Трансферный импеданс (тонкий проводящий слой или набор слоев)
• Условия периодичности (в т.ч. по Флоке)
• Рассеивающие или поглощающие границы
• Порты
  • С заданием моды на основе аналитических выражений
  • С предварительным расчётом профиля и х-к моды (Numeric)
  • Периодические с заданием дифракционных порядков (Periodic)

Мультифизика в оптических системах

Инструменты модуля «Волновая оптика» могут быть использованы совместно с возможностями других модулей программы COMSOL Multiphysics^® для моделирования различных мультифизических эффектов. При этом логика построения модели останется прежней.

Вы можете учитывать эффекты механических деформаций на распространение электромагнитных волн. Помимо оптомеханических задач можно исследовать термические эффекты, в т.ч. потери и сопряженный нагрев.

Кроме того, доступна возможность описания акустооптических, электрооптических и магнитооптических эффектов.

При сопряжении с расчётом транспортных уравнений можно учитывать реалистичные анизотропные распределения коэффициента рефракции в различных средах.

Периодические структуры

Периодические решётки — базовый элемент многих систем формирования изображения и дифракционной оптики. Инструменты модуля «Волновая оптика» позволяют эффективно и успешно моделировать такие системы, описывая уникальные ячейки с периодическими условиями по Флоке на границах и возможностью учёта высших дифракционных порядков на отражение и прохождение. С их помощью можно исследовать метаповерхности и планарные оптические системы.

Задачи рассеяния

В модуле «Волновая оптика» доступна т.н. формулировка рассеянного поля для эффективного описания и моделирования рассеяния на различных наночастицах. Вы можете задать плоскую волну, Гауссов пучок (на основе параксиального приближения и на основе метода углового спектра) и пользовательское выражение в качестве падающей фоновой волны и решать задачу относительно только рассеянной компоненты поля. Открытые границы при этом могут быть описаны с помощью эффективного поглощающего условия типа PML. На выходе можно проводит анализ характеристик рассеивателей в ближней и дальней зоне.