Модуль Волновая оптика (Wave Optics)

Для моделирования распространения электромагнитных волн в оптически больших структурах

Модуль Волновая оптика (Wave Optics)

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. 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. 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. 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. 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. 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.

Surface Plasmon Resonance

Metamaterials Make Physics Seem Like Magic

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

Photonic Crystal

Step-Index Fiber Bend

Modeling of Negative Refractive Index Metamaterial (Wave Optics)

Optical Ring Resonator Notch Filter

Plasmonic Wire Grating Analyzer (Wave Optics)

Polarizing Beam Splitter

Optical Scattering by Gold Nanospheres

Time-Domain Modeling of Dispersive Drude-Lorentz Media

Self-Focusing

Directional Coupler