COMSOL光學模擬的案例
什么是光學計算？如何在 COMSOL 中分析光學計算器件
另外，我們還介紹了使用集成低損耗硅光子進行光學計算的優勢。
未來的手機和電腦會由光學或光子處理器驅動嗎？這有待觀察，沿途還有許多技術難關需要攻克。可以肯定的是，多物理場仿真是復雜光學計算系統設計和優化的重要組成部分。如本文案例所示，COMSOL Multiphysics 中的波束包絡法功能特別適用于模擬時間快速和存儲效率良好的大型光學模型。它還能夠模擬整個光學系統，這在考慮其它物理效應時至關重要，例如不均勻的溫度梯度或機械變形。
本文來自：COMSOL博客
展開 在 COMSOL 中對自適應光學系統進行仿真
靜電驅動 MEMS 諧振器的模型序列顯示了如何模擬這種微機電諧振器，例如，通過計算系統的正常模態和與頻率相關響應來模擬。由于是教程案例，我們也創建了此模型的二維版本。
薄膜諧振器中的殘余應力
您也可以對制造過程中產生的薄膜諧振器的熱殘余應力進行建模。使用固體力學 接口、熱膨脹 功能和特征頻率 研究功能，可以計算出熱應力如何改變薄膜諧振器的諧振頻率。
預應力微鏡
另一個案例是預應力微鏡模型。這種鏡子可以作為一個光學反射裝置使用。為了創造弧形表面或類似彈簧的結構，MEMS 設備制造商有時會使用電鍍工藝在微鏡中引入殘余應力。這個案例演示了如何建立這樣的模型，并在模型中包括了初始應力和應變。此外，該模型還演示了不同材料的變形結構有什么不同，例如鋁和鋼。
鋁的微鏡變形和剝離。
鋼的微鏡變形和剝離。
在你的模型中模擬光學器件
COMSOL Multiphysics 還提供了許多用于光學仿真的其他功能，以及與機械、熱耦合仿真的功能，或模擬其他 MEMS 元件的功能。
波動光學模塊提供的波束包絡法專用工具，可用于模擬光學介質中的高頻電磁波。您也可以將結構力學與波動光學仿真相結合來進行模擬，就像這個腔體模型或波導仿真案例中。
新的射線光學模塊可用于建立光在光學介質和設備中的傳播模型，其中電磁波被看作射線。我們還有許多包括角隅反射器模型或牛頓望遠鏡系統中的光線傳播建模在內的許多射線光學仿真案例供您參考，可在 COMSOL 官網下載。
本文內容來自 COMSOL 博客
展開 Comsol光熱和射線光學耦合 ￥1600
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p><br></p><p>微顆粒受到光照射加熱周圍油液，周圍油液受熱折射率發生改變，同時導致入射光線偏折，散焦。</p><p><br></p><p><br></p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202012/d4afe1410bf245aa9d026db4e226b522.gif" alt="2222.gif"></p><p><br></p><p>該案例嘗試使用comsol進行微顆粒的光熱和射線光學耦合，動圖如上展示的。</p><p><br></p><p><br></p>
展開 光學行業FEMAG晶體生長數值模擬技術在光學行業的應用
光學行業FEMAG晶體生長數值模擬技術在光學行業的應用
1.晶體的光學應用
隨著科技的發展，光感技術，激光技術得到越來越廣泛的應用。生活水平的提高也使得人們對傳統的晶體光學折變特性提出了更高的要求，例如偏振鏡，濾光鏡等等應用場合越來越多。此外光存儲光傳輸等技術也以驚人的速度在普及。因此光學儀器和材料成為了一個非常具有前景的發展領域。
在光學領域中關鍵材料是光學晶體，按照用途可以分成光電晶體、聲光晶體、激光晶體、光折變晶體、非線性晶體等。光學晶體主要是指應用于光學回路中的晶體，如棱鏡，透鏡，濾鏡，偏光以及相位補償鏡等，在光學回路中的發射，處理和接收等多個環節都有廣泛應用。
2.光學晶體材料
光學晶體的類型很多，從材料本質上說通常是金屬鹵化物晶體，氧化物晶體等。例如常見的氟化鎂晶體用于透過紫外光，氟化鈣晶體對于紅外光有良好的透過率，此外還有半導體硅晶體，砷化鎵，CdTe，YAG，二氧化硅，藍寶石等。特別是藍寶石晶體化學性質穩定，機械強度高，抗沖擊能力強，大量用于精密測量儀器，高功率激光，導彈制導，通訊導航以及光傳感等，應用非常廣泛。
為了保證較高的光透過率，減少色散等，用作光學介質材料的晶體材料通常以單晶為主，要求盡可能少的缺陷，特別是在激光領域以及精密光感儀器和測量領域，較少的缺陷就會對光透過質量和結果產生嚴重影響。
3.FEMAG解決方案
工業上晶體的生長多采用熔體生長法，例如光學晶體中應用比較廣泛的藍寶石，砷化鎵，硅等晶體，可以通過提拉法，泡生法，坩堝下降法，區熔法等晶體生長工藝進行生產，工藝的條件控制和爐體熱場流場分析對保證晶體質量有重要作用。
展開 
光學行業FEMAG晶體生長數值模擬技術在光學行業的應用
FEMAG軟件是一款專業的晶體生長模擬軟件，對于典型的晶體生長工藝，例如提拉法、區熔法、定向凝固法以及坩堝下降法等，軟件都能提供世界領先的仿真精度，能夠優化單晶硅，砷化鎵，YAG，藍寶石等光學晶體的生產質量，并提高生產效率和成品率。
利用FEMAG可以實現：
（1）全局的熔體氣體對流與熱場分析
利用FEMAG/CZ在不同氣體流量下（500，1500，3000，4500L/h）對直拉法單晶硅的全局對流模擬，其中（a）（b）是熱場圖（c）（d）是流場圖。利用FEMAG可以優化晶體生長工藝，優化熱場，提高晶體質量，減小能耗。
（2）晶體缺陷預測分析
利用FEMAG可以分析晶體生長過程的含氧量分布以及空位和缺陷濃度預測，為晶體生長質量優化提供依據。
（3）熔體特殊流場分析
FEMAG軟件具有先進的流體分析算法，對定向凝固等工藝中復雜流體模式（例如Marangon效應）能夠獲得精確的分析結果。
（4）磁場與流場耦合分析
對于晶體生長工藝中常用的坩堝旋轉與外加磁場優化，FEMAG也能夠提供復雜耦合場作用下晶體生長過程的精確模擬，為工藝優化提供參考。
除此以外，FEMAG軟件還支持晶體生長爐體優化設計，摻雜物濃度預測分析，熱應力分析等功能。FEMAG能夠全面優化晶體生長工藝，解決光學晶體生長的關鍵技術，為提高企業經濟效益提供可靠的服務與支持。（轉）
展開 如何在 COMSOL 中建立線性和非線性光學模型
模擬等離子體波導濾波器
為了展示 COMSOL Multiphysics 在建立 Drude-Lorentz 材料模型方面的能力，我們對具有金屬-絕緣體-金屬(MIM)界面的波導進行了建模。這里，金屬和絕緣體分別被建模為銀和空氣。在這種結構中，絕緣體的寬度沿波導周期性變化(見下圖)。絕緣體的這種特殊排列使波導管像一個等離子體波導濾波器 一樣工作。
這個例子表明，波導阻止了波長在 1.4um 和 1.6um 之間的電磁輻射，但允許其余波長(見下圖)。銀材料可以用 Drude-Lorentz 來近似建模，ε∞= 3.7,ωp= 13.8 rad/s，以及 Γ= 2.736rad/s，而絕緣體使用空氣建模。作為 Drude-Lorentz 材料模型近似的替代方法，由 Johnson 和 Christy 的實驗數據
確定材料的屬性，該材料在材料庫中以 Ag (Johnson) 的形式提供。
請注意，這種等離子體波導濾波器的輸出特性類似于光纖布拉格光柵(FBG) 配置的輸出特性。
等離子體波導濾波器示意圖。藍色和灰色分別是絕緣體和金屬域。虛線描繪了周期性重復的單胞。
使用 Drude-Lorentz 模型和 COMSOL 材料庫中的 Ag (Johnson) 模擬的通過等離子光柵濾光器(具有 10 個晶胞)的透射率和反射率。你可以
從 COMSOL 案例庫中下載這個模型的 MPH 文件
。
光學材料的二階磁化率
有些非線性晶體具有相對較高的二階磁化率 (
)。當一束單色光穿過這種非線性晶體時，輸出頻譜不僅顯示出原始頻率(ω)，也顯示出二階諧波頻率(2ω)。因此，這種現象被稱為二次諧波生成 (SHG)。
展開 基于comsol的光學環形波導諧振腔，三環諧振
三圓環 波導諧振.rar
（轉載至：百度百科、comsol官網）
最簡單的光環諧振器由直波導和環形波導組成。波導互相靠近放置，使得光在兩個結構之間相互影響。如果環周圍的傳播長度是波長的整數倍，則場發生諧振，并在環中形成一個強場。
一部分光在環形波導周圍傳播后，重新與直波導耦合，并干涉入射光。在諧振時，可以獲得完全相消干涉，而沒有透射光，使得光環諧振器成為理想陷波濾波器，阻止諧振波長的光。
光環諧振器是光子集成電路中具有研究價值的構件。由于在硅光子等集成電路中具有高折射率對比度，因此可以制造非常小的電路。
本次模型，三環波導諧振腔，設置了不同的半徑R，三個圓環將在不同的三個波長下出現諧振耦合，如下動圖中出現的波峰。
模型文件在文中開頭，需要的可以下載，加密文件如需密碼可以私信我。謝謝。
展開 基于comsol的熱流光學耦合的紋影法仿真 ￥1600
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p><br></p><p> 紋影法一種常用的光學觀測方法。其基本原理，是利用光在被測流場中的折射率梯度正比于流場的氣流密度進行測量，廣泛用于觀測氣流的<a href="https://baike.baidu.com/item/%E8%BE%B9%E7%95%8C%E5%B1%82/4859516" rel="noopener noreferrer" target="_blank">邊界層</a>、燃燒、<a href="https://baike.baidu.com/item/%E6%BF%80%E6%B3%A2/825784" rel="noopener noreferrer" target="_blank">激波</a>、氣體內的冷熱對流以及風洞或水洞流場。</p><p> 原理：利用光在被測流場中的折射率梯度正比于流場的氣流密度的原理，將流場中密度梯度的變化轉變為記錄平面上相對光強的變化，使可壓縮流場中的激波、壓縮波等密度變化劇烈的區域成為可觀察、可分辨的圖像，從而記錄下來。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202101/85558facf5fd4d63b506f2433da4251d.gif"></p><p><br></p><p><br></p><p>此次用comsol搭建一個簡單的紋影法的光路，在凹面鏡的焦距前方發射光源 ，在焦距后方接收。
展開 技術鄰周報Q9：CAD/二次開發/COMSOL/光學/moldflow/優化設計/LS-DYNA/復合材料/Python
2、基于COMSOL的流固耦合微泵輸運細胞仿真分析
作者：琳泓comsol
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1809491
微泵作為微流體系統的“心臟”，是微流體輸送的動力源，也是微流體系統發展水平的重要標志。作為一種重要的微型執行部件，微泵還可廣泛應用于藥物輸送、血液運輸、DNA合成、電子冷卻系統、微全分析系統、微型燃料電池、微型衛星推進系統等領域，具有巨大的市場應用前景。
3、光波導：主流AR眼鏡的核心顯示技術
作者：
上海安世亞太
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1809511
隨著主流AR設備微軟HoloLens2、Magic Leap One等對光波導技術的采用和設備量產，以及AR光學模組廠商DigiLens、耐德佳、靈犀微光等近期融資消息的頻繁披露，導致光波導的討論熱度也持續增加了不少。
4、免噴涂材料中出現“新款”注塑缺陷，moldflow居然無法預測
作者：
國高材高分子材料產業創新中心
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1809585
注塑材料的發展中，慢慢的免噴涂材料開始登場。一般是將顏色做亮或者是添加其余粉末來改善塑料材料的本身外觀特征，或者是提升材料本身的物性。最近在新開發的免噴涂材料中發現了原來并沒有出現過的問題。
展開 ZEMAX | 如何在 OpticStudio 中模擬激光光束傳播：第三部分 使用物理光學傳播來模擬高斯光束
每天掌握一些光學知識！
有以下三種工具可在 OpticStudio 的序列模式中模擬高斯光束傳播：
基于光線的方式
近軸高斯光束分析
物理光學傳播
本系列的三篇文章旨在介紹如何創建一個高斯激光光源、如何分析光束通過光學系統時的傳播和如何使用上述三種方式優化至最小光斑。
前面我們講到了本系列文章的前兩篇：
· 高斯光束理論和基于光線的方式
· 使用近軸高斯光束工具來模擬高斯光束
本文也會介紹適用于特定情況的最佳模擬方式，是系列文章的第三篇，重點介紹如何使用物理光學傳播工具來建模高斯光束，以及何時使用哪種工具。【 聯系我們下載文章中的附件。】
簡介
激光工程師經常發現有必要對激光在光學系統中的傳播進行建模。與基于光線的方法不同，物理光學傳播 (POP) 通過傳播相干波前來模擬激光光束，因此允許對任意相干光束進行非常詳細的研究。在接下來的章節中，我們將介紹如何使用 POP 建模光束傳播。
物理光學傳播
物理光學傳播通過傳播波前來模擬光學系統中的傳播。光束由離散采樣點的陣列上的數據表示，類似于用光線進行幾何光學分析的離散采樣。整個陣列通過光學表面之間的自由空間傳播。在每個光學表面上，系統會計算一個將光束從光學表面的一邊傳播到另一邊的轉換函數。因為光束是由其全部復值電場陣列描述的，所以物理光學傳播 POP 允許仔細研究任意相干光束，包括高斯或任何形式的高階多模激光束（光束是用戶可定義的）、遠焦衍射影響或有限鏡頭孔徑的影響（如空間濾波器）。這篇文章將不會深入如何使用物理光學傳播工具的細節。
展開 如何模擬粗糙表面的光學特性
這篇文章我們將引入并建立一個計算模型，來模擬這種情況。
先從簡單的情況開始：一個光學平面
在討論粗糙的表面之前，讓我們先從一些簡單的情況開始：在
光學平面
的玻璃上面鍍一層薄薄的、均勻的金涂層，見下圖。這種模型在玻璃平面上可以忽略結構變化。在 COMSOL Multiphysics? 軟件中，通過考慮一個寬度遠小于波長的小的二維基本單元，就可以很簡單地建立這個模型。
這個計算模型是基于
菲涅爾方程建模
的一個例子，也是 COMSOL 案例庫中的一個驗證模型，但被修改為包含一個折射率隨波長變化的鍍金層。這種類型的折射率要求我們根據每種材料的最小波長以及趨膚深度來手動調整網格大小。
入射到玻璃基板上的金屬涂層上的光被反射、透射和吸收。
這個模型包括建模域左右兩側的 Floquet 周期性邊界條件以及頂部和底部的端口邊界條件。頂部的端口邊界條件以指定的入射角發射平面波，并計算反射光，而底部的邊界條件則計算透射光。我們可以對
金屬層內的損失進行積分
來計算鍍金層內的吸收率。
計算玻璃上的金屬薄層光學特性的計算模型
如果你對計算非法線入射角的入射光感興趣，那么還必須關注建模域的高度，也就是材料界面和端口邊界條件之間的距離。這個距離必須足夠大，以便任何消逝場在建模域內下降到近似于零。
這樣做與端口邊界條件有關，因為它只能考慮電磁場的傳播分量。任何到達端口邊界條件的場的消逝分量都會被強制反射，所以我們必須把端口邊界放在離材料界面足夠遠的地方。在大多數情況下是很難確定消逝場傳播多遠。這里有一個簡單的經驗法則，那就是將端口邊界條件放在離材料界面至少半個波長的地方，并檢查使域變大是不是會改變結果。
下面的樣本結果顯示了透射、反射和吸收光，以及它們的總和，它們的總和應該總是等于1。
展開 
對光學系統中亞波長結構的嚴格模擬
在光學設計軟件VirtualLab Fusion中實現的建模技術的交互性意味著其用戶可以完全靈活地在精度和速度之間找到始終相關的折衷方案。這也適用于模擬光通過亞波長結構傳播：可以只為光學系統中表現出亞波長調制的部分選擇嚴格的模型，同時在系統的其他地方選擇數值上計算量更小的替代方案，從而在不必要地犧牲速度的情況下達到所需的精度。
Ansys Zemax | 如何模擬自適應光學系統
概述
這篇文章介紹了如何在OpticStudio中使用多重結構創建反射式自適應光學系統。本文詳細介紹了：
如何通過縮放光闌鏡面的偏心來模擬一組鏡面陣列
如何使用公差功能生成隨機的波前差來模擬大氣不均勻性對成像的影響
如何補償該影響引入的像差以得到最優的幾何和衍射點擴散函數
如何使用求解功能簡化系統的設置和調整參數的過程
（聯系我們獲取文章附件）
介紹
在本文介紹的自適應反射光學系統中，反射拋物鏡由多個子反射鏡組成，其中每個子反射鏡可以調整自身的空間位置和旋轉方向來一定程度的矯正像差。特別是對于處在大氣環境中的望遠鏡系統來說，自適應系統可以有效的降低大氣層不均勻性引入的像差。OpticStudio可以在非序列或混合序列模式下模擬自適應反射光學系統。本文將展示如何在序列模式下使用多重結構對該系統進行建模。
下圖兩幅動畫展示了序列模式下自適應光學系統中反射元件的傾斜和偏心：
首先，我們需要在系統輸入波前上引入隨機的波前差來模擬大氣不均勻性對輸入光的影響。其次，我們需要調整每個反射元件的z軸位置以及繞元件中點的旋轉角度，使像面上的像差最小。在下圖給出的2×2報告圖 (2×2 Report Graphic) 中，左上圖描述了系統在輸入波前上引入的隨機像差，它是由蒙特卡洛算法自動生成的隨機波前差。其中，其它圖表動畫對比了不同輸入波前差的情況下，自適應光學系統矯正像差之前和之后的幾何PSF和衍射PSF分析結果。
前提假設和設計目標
對于本文示例系統，我們作如下前提假設：
我們將只模擬望遠鏡的主鏡，即反射拋物面。不考慮望遠鏡系統中的其他元件，例如次級反射鏡等。這主要是為了減少示例的復雜度，但如果需要分析也可以快速添加。
每個子鏡面不會產生形變。這同樣是為了減少示例的復雜度，如需要也可快速添加。
展開 對光學系統中亞波長結構的嚴格模擬
在光學設計軟件VirtualLab Fusion中實現的建模技術的交互性意味著其用戶可以完全靈活地在精度和速度之間找到始終相關的折衷方案。這也適用于模擬光通過亞波長結構傳播：可以只為光學系統中表現出亞波長調制的部分選擇嚴格的模型，同時在系統的其他地方選擇數值上計算量更小的替代方案，從而在不必要地犧牲速度的情況下達到所需的精度。
但是不要僅相信我們的話，你親自去看看！
你可以在下面找到兩個不同的具有亞波長結構的系統的例子的鏈接：由不同直徑的納米柱排列構建的超透鏡的設計工作流程的示意圖，和基于受抑全內反射（FTIR）工作原理的棱鏡分束器，其中分束器的兩臂之間的能量再分配是通過倏逝波隧穿一層很薄的材料來實現的，該薄層材料把密度較高的介質分成兩個棱鏡。
一種超透鏡的設計與分析
在此用例中，設計并分析了基于電介質圓柱的聚焦超透鏡。所使用的參數來自E. Bayata（2022）發表的一篇文章。
立方體光束整形器上的全內反射（FTIR）
本用例演示了一種基于受抑全內反射（FTIR）的真實分束器，并研究了間隙厚度對反射和透射效率的影響。
展開 [NEWSLETTER] 對光學系統中亞波長結構的嚴格模擬
在光學設計軟件VirtualLab Fusion中實現的建模技術的交互性意味著其用戶可以完全靈活地在精度和速度之間找到始終相關的折衷方案。這也適用于模擬光通過亞波長結構傳播：可以只為光學系統中表現出亞波長調制的部分選擇嚴格的模型，同時在系統的其他地方選擇數值上計算量更小的替代方案，從而在不必要地犧牲速度的情況下達到所需的精度。
但是不要僅相信我們的話，你親自去看看！
你可以在下面找到兩個不同的具有亞波長結構的系統的例子的鏈接：由不同直徑的納米柱排列構建的超透鏡的設計工作流程的示意圖，和基于受抑全內反射（FTIR）工作原理的棱鏡分束器，其中分束器的兩臂之間的能量再分配是通過倏逝波隧穿一層很薄的材料來實現的，該薄層材料把密度較高的介質分成兩個棱鏡。
一種超透鏡的設計與分析
在此用例中，設計并分析了基于電介質圓柱的聚焦超透鏡。所使用的參數來自E. Bayata（2022）發表的一篇文章。
立方體光束整形器上的全內反射（FTIR）
本用例演示了一種基于受抑全內反射（FTIR）的真實分束器，并研究了間隙厚度對反射和透射效率的影響。
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