COMSOL在光电领域的应用

COMSOL在光电领域的应用 中仿科技技术部鲍伟FeitBao 内容和安排 1 COMSOLMultiphysics功能介绍2 COMSOL在光电领域的应用3 COMSOL在太阳能电池领域的应用 什么是多物理场 在描述一个对象时涉及多种物理现象的组合这些现象都基于某种物理规律这种物理规律可以借助于偏微分方程得到精确描述 有限元有限差分有限体积法 F COMSOLMultiphysics全球第一款真正的多物理场耦合分析软件 一个功能强大的平台有限元仿真平台类似于公式解释器形式的图形化操作界面填空式的操作方法任意耦合的多物理场分析平台多物理场耦合多维度 尺度耦合与实验结果进行耦合突出的特点易用性可自由切换的多种语言操作界面简单鼠标操作和填空 自动耦合物理场开放性对用户透明 支持用户建立自己的模型灵活性与MATLAB无缝连接 强大的二次开发功能 COMSOLMultiphysics的主要特性 主菜单 主工具条 设定 绘图窗口 通过模型树建模 信息 求解过程和数字结果 交互式建模和模拟环境大量的预置物理应用模式自定义PDE应用模式无穷的耦合能力无限的物理量耦合不同维度 尺度耦合与实验结果耦合完备地前处理器功能简单实用的几何建模导入主流CAD文件格式强大的网格剖分功能多种功能强大的求解器强大的后处理能力特定的应用模型和扩展支持Matlab 和Simulink 的双向调用 模拟过程 分析问题 确定PDE方程及相关的参数选择模型方程创建或导入几何模型设定材料属性及PDE系数项设定边界条件生成网格求解 设定Solver参数 后处理 结果可视化 动画 输出其他处理过程脚本后处理或二次开发 波动方程Helmholtz方程瞬态分析 定义一个时域波稳态分析 谐波传输模式分析 瞬态和稳态分析 能模拟什么类型的入射波源 所有类型材料呢 非线性 色散 各向异性 后处理 信号处理后处理工具Matlab接口 光电器件模拟的重要因素 灵活输入COMSOL 指定的数值插值函数标量 矢量表达式分段表达式逻辑表达式 通过灵活的表达式描述入射场 当对时间 空间位置敏感时 采用相似的方法定义材料 材料对电场敏感 a 0 Lorentz色散模型 w0 0 c1 1 Drude色散模型 色散 阻尼 谐振 非线性 磁化系数 折射率 电子作为阻尼非谐振子 利用Duffing模型处理非线性色散效应 两个模式的耦合点 方程系数的表达式 瞬态分析 高斯脉冲在非线性材料中的传输 高斯波束的二次谐波 在输出边界用MATLAB做FFT SHG 二次谐波的频谱 w0 wp 近紫外区域 2pc w0 0 3 0 4mm c 1 n sqrt 2 a n0 n2 e02 c12 h0 h0 sqrt m0 e0 FWM效率随传输距离增大 先增加后降低 JamesE Toney PennStateUniversityElectro OpticsCenter 考虑相位失配的四波混频 瞬态分析 不同时刻下高斯光束在三阶非线性介质中的传播 四波混频计算结果 普通波导 低折射率的基底 高折射率的芯结构狭缝波导 两部分高折射率介质形成 狭缝 光场在狭缝处的低折射率介质中传播光场尺寸在纳米量级 超小模场面积 超高非线性 利用COMSOL进行模场分布分析 狭缝波导 拉曼增强发生在纳米金属球与普通介电介质的交界面表现为场的分布在界面处急剧增大 数十甚至数百倍 利用COMSOL进行拉曼散射分析 拉曼增强 减少刻蚀的特征长度 介电介质上排列 金岛 结构 形成光场增强 光刻胶 表面增强拉曼散射 SPR棱镜耦合 利用COMSOL进行谐波传输分析 平面波入射 激发SPP波 反射波 通过边界积分 计算透射率和反射率 金属薄层 30nm 棱镜 空气 或其他待测介质 薄金属层的透射和反射 COMSOL模拟两种高斯波的古斯 汉欣位移 a l 413nmandq 50degrees ee 1 62 1 74i b l 248nm andq 54degrees ee 0 563 0 148i BinzhaoandLeiGao Opt Express 17 21433 2009 温度对古斯 汉欣位移的影响 光场集中导致了重要的梯度分布 这就产生了力的矢量 光镊 微球 纳米或者微米量级的高品质谐振腔 高Q值 低损耗 微球回音壁模式分析 环形谐振腔 l1 l2 Through Drop R F Oulton V J Sorger D A Genov D F P Pile andX Zhang Ahybridplasmonicwaveguideforsubwavelengthconfinementandlong rangepropagation NaturePhotonics 2008 2 8 p 496 500 表面等离子体激光 air air 0 0 负折射率 超棱镜 超越衍射极限 负折射率光子晶体 负折射率铁磁流体 Y Gao J P Huang Y M Liu L Gao K W Yu andX Zhang PRL104 034501 2010 旋转的超棱镜 W Srituravanich L Pan Y Wang C Sun D B BogyandX Zhang NatureNanoTech 2008 隐身材料 旋转映射 Space 当隐身时 出现 角度 变化 旋转隐身 旋转隐身的内 外观察者会看到一个彼此旋转的世界隐身代表 不可见 HuanyangChenandC T Chan Appl Phys Lett 90 241105 2007 l1 l2 光子晶体波导 熊猫 高双折射PCF 光子晶体光纤 声子晶体 太赫兹波导 介电介质中的金属线 太赫兹波 案例 太阳能电池板后表面 案例 太阳能电池板后表面 案例 太阳能电池板散射场 案例 太阳能电池形状优化 案例 太阳能电池散热分析 案例 太阳能电池寿命分