COMSOL光学仿真专题
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• 粒子追踪现在是可用的物理接口：
– – – – – – – – – – 利用COMSOL求解基于有限元问题的强大求解器 轻松模拟成百上千的粒子 能使用参数扫描 可指定粒子的边界条件 解储存于模型而非在后处理时计算 隐式时间步进 支持粒子/场相互作用 预定义力作为模型树中可用特征 Hamilton算子允许模拟光线追踪 新的后处理工具
COMSOL在《Nature》中论文发表量
119
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
COMSOL典型光学用户
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
联系我们
中仿科技官方网站：www.cntech.com.cn 免费技术交流社区：i.cntech.com.cn 服务电话：400－888－5100 电子邮件：Nathan@cntech.com.cn 技术服务：Support@cntech.com.cn 软件试用及资料申请：democd@cntech.com.cn
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
总结
• COMSOL RF模块可满足纳米光子学研究中的 以下需求：
– 波导模式分析 – 稳态传输特性分析 – 瞬态传输特性分析
• COMSOL支持进一步的研究需求
– 支持用户自定义PDEs，处理量子光学问题（薛定谔 方程的求解） – 多物理场耦合，光与物质的相互作用（原子冷却、 粒子囚禁与操控等）
COMSOL Multiphysics Version 4.0 multiphysics simulation software features a new COMSOL Desktop™ user interface that provides an organized layout and streamlined model building. Quick model setup is enabled in the Model Builder and its graphical programming utility throughout the modeling and simulation process. With the new version, a series of LiveLink™ options integrate the software into the mainstream product design workflow of Autodesk® Inventor®, SolidWorks®, and MATLAB®.
Simulating inspires innovation
透镜的受热变形
空气/真空
TE10 波导
(未显示) 4µm 宽 “准直” 透镜 PML无反射 截止域
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
局部温度
折射率
透镜变形
10 µ-sec 1 ms 100 ms 1 sec
适当参数的磁化等离子体能使电磁波在 外加磁场方向上几乎无衍射地传输 不需要制备常规超材料所需的微加工 调节外加磁场或等离子体密度可动态重 构成像装置（射频，微波，太赫兹） l/1170
碰撞频率 30MHz
4T
碰撞频率 5GHz
l/12
PEC
1GHz
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
3. 稳态传输特性分析
• 针对问题： – 超材料/负折射材料传输特性 – 波导器件传输特性 – 光栅/金属颗粒散射 – 光刻分辨率分析 • 预置电磁场频域分析应用模式 • 自定义光源入射条件 • 后处理 – 内置反射/透射率计算 – 散射场分布
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
NASA最佳CAE产品的优胜者
3次被NASA技术杂志选为“本年度最佳上榜产品”， 当选为 NASA科学家所选出的年度最佳 CAE 产品的 优胜者，表明COMSOL Multiphysics是对工程领域 最有价值和意义的产品。
负折射现象
负折射材料
介电常数e和磁导率m均为负数
隐形斗篷
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
负折射率铁磁流体
Y. Gao, J. P. Huang, Y. M. Liu, L. Gao, K. W. Yu, and X. Zhang, PRL 104, 034501 (2010)
GaP 30nm
Au 20nm
入射光
波长600nm
光强 vs. 传输距离
University of Dayton, Charles M. Bowden Research Center
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
等离子体超分辨成像
• 磁化等离子体可重构超分辨成像
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
纳米金颗粒增强天线信号
R1=70nm，R2=40nm，d=15nm
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
金属-电介质堆的超衍射限制成像
• 金属-电介质堆通过倏 逝波透射实现超衍射 限制的成像分辨率
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
隐形斗篷
隐形斗篷
超材料制成，使斗篷内的物体在微波波段不可见。 这项基于COMSOL Multiphysics仿真分析的研究工作，由北卡罗 来州达拉莫杜克大学的Steve. Cummer和David. Schurig共同完 成，被Science杂志评为2006年科学突破之一。
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
非对称结构LRSPP
hdown = 310nm → Wx = 726nm, Wy = 647nm, L = 321mm, neff = 1.63
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
Luneburg透镜
磁透镜
四极质谱仪
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光学隐身
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
Luneburg透镜
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
2. 谐振腔模式分析
• 针对问题：
– 各种谐振腔的模式计算 – 品质因子分析
• 预置电磁场特征频率分析应用模式 • 后处理
– 内置品质因子计算 – 模场分布 – 传播常数/有效折射率
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
• 时域分析 • 频域分析
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
COMSOL Multiphysics 解决方案 • 几何光学
– 粒子追踪模块
• 波动光学
– RF模块
仿 真 智 领 创 新
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主要特征
4. 时域传输特性分析
• 针对问题
– 瞬态及非线性过程分析 – 金属颗粒表面场增强拉曼散射 分子荧光成像/二次谐波产生
• • • •
预置时域分析应用模式 自定义材料非线性极化率 自定义入射光源的时空分布 后处理
– 时域传输过程动画导出
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高斯光束的二倍频
仿 真 智 领 创 新
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四波混频计算结果
仿 真 智 领 创 新
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Duffing模型处理非线性色散
电子作为阻尼非谐振子：
阻尼
非线性
色散
谐振
磁化系数（折射率）
a = 0，Lorentz色散模型
光子晶体光纤SPP传感器
∧=2e-6m, dc=0.5 ∧, d1=0.6 ∧, d2=0.8 ∧ nair=1.0, na=1.33 金属层厚度4e-8m
基模
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
光子晶体光纤SPP传感器
纤芯中激发的SPP模式图
金属层表面能量分布图
• 腔模分析
– 共振频率 – 品质因子
• 瞬态传播/非线性效应
– 群速度（色散） – 倍频产生、自聚焦、自相位调制等
• 多场耦合
– 光与热，电，磁，力特性的耦合
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Simulating inspires innovation
纳米光子学仿真需求
纳米材料/结构的 光学特性 纳米光子学器件 纳米光子学 光纤/波导 波导分析 激光器 隐形斗篷 稳态传输特性分析 光刻 纳米结构的 光学制备、表征方法 光镊/光势阱 分子探测 瞬态/非线性效应分析
电磁波领域研究课题
• 电磁波的产生
– 各种波源的辐射机制
• 电磁波的传播
– 衍射/干涉 – 反射/折射/散射/吸收 – 光电/热/力效应
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
数值分析
• 散射分析
– 散射强度 – 透射/反射率
• 波导分析
– 模式：场分布，传播常数 – 透射/反射率
COMSOL Multiphysics
光学系统与微纳光学专题
中仿科技 鲍伟（Feit Bao） 2013年1月
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
光学理论研究方法 • 几何光学：
– 波长 << 特征尺寸 – 光线追迹
• 波动光学：
– 波长与特征尺寸可比拟 – 有限时域差分方法 – 时域有限元方法
RF模块理论基础
• RF = Radio Frequency (Electromagnetic Waves), 3kHz~300GHz • 高频电磁波 电尺寸=结构尺寸/波长>1/100 • 基于经典Maxwell电磁理论
时域分析
频域分析
Biblioteka Baidu
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Simulating inspires innovation
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
高双折射光子晶体光纤
• 非对称椭圆形空气孔 • 双折射度
Han-Hsuan Yeh, Yuan-Fong Chau 清云科技大学电子工程系
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
w0 = 0，c1 = 1，Drude色散模型
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
方程系数的表达式
两个模式的耦合点
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
贵金属颗粒的二次谐波产生
二阶非线性，倍频效应
法国离子与分子实验室, Guillaume Bachelier, etc 仿 真 智 领 创 新
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
COMSOL Multiphysics 在此领域享有盛誉
“（在纳米光子学领域）FEM被广泛用于求解电磁 问题，源于一款受欢迎的商业软件：COMSOL Multiphysics。” —Nanophotonics Accessibility and Applicability, the
National Academy of Science, 2008, p105
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
1. 波导模式分析
• 针对问题：
– 光子晶体光纤/波导 – SPP波导
• 预置电磁场波导模式分析 应用模式 • 后处理
– – – – – 模场分布 传播常数/有效折射率 偏振态 有效模场面积 色散曲线
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
COMSOL在《Nature》中论文发表量
30 25
20
15 10 5 0 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
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Simulating inspires innovation
– – – – – – – – – – 利用COMSOL求解基于有限元问题的强大求解器 轻松模拟成百上千的粒子 能使用参数扫描 可指定粒子的边界条件 解储存于模型而非在后处理时计算 隐式时间步进 支持粒子/场相互作用 预定义力作为模型树中可用特征 Hamilton算子允许模拟光线追踪 新的后处理工具
COMSOL在《Nature》中论文发表量
119
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COMSOL典型光学用户
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联系我们
中仿科技官方网站：www.cntech.com.cn 免费技术交流社区：i.cntech.com.cn 服务电话：400－888－5100 电子邮件：Nathan@cntech.com.cn 技术服务：Support@cntech.com.cn 软件试用及资料申请：democd@cntech.com.cn
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总结
• COMSOL RF模块可满足纳米光子学研究中的 以下需求：
– 波导模式分析 – 稳态传输特性分析 – 瞬态传输特性分析
• COMSOL支持进一步的研究需求
– 支持用户自定义PDEs，处理量子光学问题（薛定谔 方程的求解） – 多物理场耦合，光与物质的相互作用（原子冷却、 粒子囚禁与操控等）
COMSOL Multiphysics Version 4.0 multiphysics simulation software features a new COMSOL Desktop™ user interface that provides an organized layout and streamlined model building. Quick model setup is enabled in the Model Builder and its graphical programming utility throughout the modeling and simulation process. With the new version, a series of LiveLink™ options integrate the software into the mainstream product design workflow of Autodesk® Inventor®, SolidWorks®, and MATLAB®.
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透镜的受热变形
空气/真空
TE10 波导
(未显示) 4µm 宽 “准直” 透镜 PML无反射 截止域
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局部温度
折射率
透镜变形
10 µ-sec 1 ms 100 ms 1 sec
适当参数的磁化等离子体能使电磁波在 外加磁场方向上几乎无衍射地传输 不需要制备常规超材料所需的微加工 调节外加磁场或等离子体密度可动态重 构成像装置（射频，微波，太赫兹） l/1170
碰撞频率 30MHz
4T
碰撞频率 5GHz
l/12
PEC
1GHz
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3. 稳态传输特性分析
• 针对问题： – 超材料/负折射材料传输特性 – 波导器件传输特性 – 光栅/金属颗粒散射 – 光刻分辨率分析 • 预置电磁场频域分析应用模式 • 自定义光源入射条件 • 后处理 – 内置反射/透射率计算 – 散射场分布
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NASA最佳CAE产品的优胜者
3次被NASA技术杂志选为“本年度最佳上榜产品”， 当选为 NASA科学家所选出的年度最佳 CAE 产品的 优胜者，表明COMSOL Multiphysics是对工程领域 最有价值和意义的产品。
负折射现象
负折射材料
介电常数e和磁导率m均为负数
隐形斗篷
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负折射率铁磁流体
Y. Gao, J. P. Huang, Y. M. Liu, L. Gao, K. W. Yu, and X. Zhang, PRL 104, 034501 (2010)
GaP 30nm
Au 20nm
入射光
波长600nm
光强 vs. 传输距离
University of Dayton, Charles M. Bowden Research Center
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等离子体超分辨成像
• 磁化等离子体可重构超分辨成像
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纳米金颗粒增强天线信号
R1=70nm，R2=40nm，d=15nm
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金属-电介质堆的超衍射限制成像
• 金属-电介质堆通过倏 逝波透射实现超衍射 限制的成像分辨率
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隐形斗篷
隐形斗篷
超材料制成，使斗篷内的物体在微波波段不可见。 这项基于COMSOL Multiphysics仿真分析的研究工作，由北卡罗 来州达拉莫杜克大学的Steve. Cummer和David. Schurig共同完 成，被Science杂志评为2006年科学突破之一。
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非对称结构LRSPP
hdown = 310nm → Wx = 726nm, Wy = 647nm, L = 321mm, neff = 1.63
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磁透镜
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2. 谐振腔模式分析
• 针对问题：
– 各种谐振腔的模式计算 – 品质因子分析
• 预置电磁场特征频率分析应用模式 • 后处理
– 内置品质因子计算 – 模场分布 – 传播常数/有效折射率
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• 时域分析 • 频域分析
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– 粒子追踪模块
• 波动光学
– RF模块
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主要特征
4. 时域传输特性分析
• 针对问题
– 瞬态及非线性过程分析 – 金属颗粒表面场增强拉曼散射 分子荧光成像/二次谐波产生
• • • •
预置时域分析应用模式 自定义材料非线性极化率 自定义入射光源的时空分布 后处理
– 时域传输过程动画导出
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Duffing模型处理非线性色散
电子作为阻尼非谐振子：
阻尼
非线性
色散
谐振
磁化系数（折射率）
a = 0，Lorentz色散模型
光子晶体光纤SPP传感器
∧=2e-6m, dc=0.5 ∧, d1=0.6 ∧, d2=0.8 ∧ nair=1.0, na=1.33 金属层厚度4e-8m
基模
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光子晶体光纤SPP传感器
纤芯中激发的SPP模式图
金属层表面能量分布图
• 腔模分析
– 共振频率 – 品质因子
• 瞬态传播/非线性效应
– 群速度（色散） – 倍频产生、自聚焦、自相位调制等
• 多场耦合
– 光与热，电，磁，力特性的耦合
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纳米光子学仿真需求
纳米材料/结构的 光学特性 纳米光子学器件 纳米光子学 光纤/波导 波导分析 激光器 隐形斗篷 稳态传输特性分析 光刻 纳米结构的 光学制备、表征方法 光镊/光势阱 分子探测 瞬态/非线性效应分析
电磁波领域研究课题
• 电磁波的产生
– 各种波源的辐射机制
• 电磁波的传播
– 衍射/干涉 – 反射/折射/散射/吸收 – 光电/热/力效应
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数值分析
• 散射分析
– 散射强度 – 透射/反射率
• 波导分析
– 模式：场分布，传播常数 – 透射/反射率
COMSOL Multiphysics
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中仿科技 鲍伟（Feit Bao） 2013年1月
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光学理论研究方法 • 几何光学：
– 波长 << 特征尺寸 – 光线追迹
• 波动光学：
– 波长与特征尺寸可比拟 – 有限时域差分方法 – 时域有限元方法
RF模块理论基础
• RF = Radio Frequency (Electromagnetic Waves), 3kHz~300GHz • 高频电磁波 电尺寸=结构尺寸/波长>1/100 • 基于经典Maxwell电磁理论
时域分析
频域分析
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高双折射光子晶体光纤
• 非对称椭圆形空气孔 • 双折射度
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w0 = 0，c1 = 1，Drude色散模型
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方程系数的表达式
两个模式的耦合点
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贵金属颗粒的二次谐波产生
二阶非线性，倍频效应
法国离子与分子实验室, Guillaume Bachelier, etc 仿 真 智 领 创 新
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COMSOL Multiphysics 在此领域享有盛誉
“（在纳米光子学领域）FEM被广泛用于求解电磁 问题，源于一款受欢迎的商业软件：COMSOL Multiphysics。” —Nanophotonics Accessibility and Applicability, the
National Academy of Science, 2008, p105
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1. 波导模式分析
• 针对问题：
– 光子晶体光纤/波导 – SPP波导
• 预置电磁场波导模式分析 应用模式 • 后处理
– – – – – 模场分布 传播常数/有效折射率 偏振态 有效模场面积 色散曲线
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COMSOL在《Nature》中论文发表量
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