2光学与光子学多物理模拟视频讨论

2020年7月30日

为什么要使用多物理软件进行光学模拟?这是其中一个问题激光聚焦世界高级编辑约翰·华莱士在与COMSOL技术产品经理克里斯·鲍彻的视频聊天中问道。如果您是模拟新手,请查看第一个视频第1部分“COMSOL Multiphysics®简介”,了解模拟如何有助于光学产品设计。在第2部分“COMSOL在光学和光子学中的应用”中,Wallace和Boucher讨论了为什么要模拟光学以外的东西。观看两个视频讨论,并获得以下要点的摘要。

第1部分:COMSOL Multiphysics®简介

波和射线的模拟

约翰·华莱士在采访一开始就评论了激光聚焦世界快速聊天,为光学和光子学工程师的研发工作提供实用信息。为了涵盖模拟的主题,华莱士计划与COMSOL的Chris Boucher进行10分钟的对话。然而,随着采访的进行,他们发现这个话题还有更多的内容,所以他们进行了一个更长的两部分谈话。

光学和光子学的仿真被广泛地应用于商业和学术工作中。光学研发界是COMSOL Multiphysics®软件的早期使用者,该软件用于模拟光纤、等离子体、激光与材料的相互作用、光子开关、有机led等。现在,你可能想知道,是什么促使企业首先转向光学设计软件?

鲍彻解释了为什么各组织在光学和光子学设备的开发中使用模拟。在业务层面上,投资模拟软件的主要动机是为了节省时间和金钱,以便以更低的成本更快地将正确的产品推向市场。乐动体育app无法登录在工程层面上,通过虚拟测试设计,模拟可以帮助提高理解,并在构建物理原型之前预测性能。

“通过模拟,你可以以在真实世界的物理对象中无法做到的方式观察一个对象。例如,如果你在做电磁波传播的分析,你可以很容易地在任何时间、任何地点获得电场振幅,这在物理领域的实验是不可能的。”鲍彻说道。

计划、诊断和优化设计

Wallace和Boucher继续讨论了哪些类型的光学器件可以被模拟,并简要介绍了用于分析光波和光线的数值方法。用于光学模拟的方法根据光学尺寸的不同而不同,主要分为两大类:

  1. 当光的波长远小于几何尺寸时
  2. 当波长大约等于几何尺寸时

COMSOL Multiphysics支持这两种类型的场景。对于前者,光线追踪方法用于跟踪透镜、镜子和结构系统中的光线。对于后者,采用有限元法和束包络法非常精确地计算了光纤和波导等光学器件中电磁波的解。

使用COMSOL Multiphysics和射线光学模块创建了一个Luneburg镜头的光线追踪模型。
这张光线追踪的图像是使用光线光学模块创建的。

“是什么促使工程师开始使用COMSOL Multiphysics?””华莱士问。通常,模拟软件是为了开发新产品或改进产品而引入的——有时是为了找出现有产品的行为方式。“模拟有助于计划、诊断和优化设计,以及通过虚拟构建产品来理解产品。创建模拟可以减少必须进行的实验的数量,或者减少必须建造的物理原型的数量,以获得满足所有要求的设计,”Boucher评论道。

第2部分:COMSOL在光学和光子学中的应用

不要模仿只是光学

在采访的第二部分,华莱士和鲍彻讨论了光学现象与其他物理相互作用并与之耦合的系统和产品的建模。COMSOL Multiphysics的一个特殊优势是,它可以计算任意数量的不同乐动体育app无法登录物理和任意数量的耦合的解。这有助于设计任务,如预测光通过透镜时因加热而引起的透镜热变形,通常称为结构热光性能(STOP)分析。其他应用包括光纤的结构变形、生物光电子学、激光焊接、电润湿透镜等。

COMSOL®光学模拟软件的功能并不局限于多物理。模型不仅可以包含任意数量的物理,还可以处理非常不同的尺度。这使得建模的问题,结合光学非常大和小的实体。在同一个仿真中处理多个尺度的方法是对系统的不同部分采用不同的方法。例如,对于光学小物体,采用有限元法计算电磁波特性,对于周围大区域,采用射线光学模拟计算射线追迹模式。

一个激光聚焦系统模型,展示了光学和光子学的多物理模拟实例。
这种高功率激光聚焦系统的多物理模拟解决了透镜的几何光学和热变形问题。

使用仿真应用程序的计算自动化

John Wallace在采访结束时提出了模拟的一个有趣方面:如何实现模型设置和计算的自动化?

根据您使用COMSOL Multiphysics的舒适程度,有不同的方法。运行参数研究是自动化计算的一种常见方法。您只需让软件针对一组预定义的设计参数运行重复模拟。从此类参数扫描生成的输出通常用于优化设计。

另一种自动化使用仿真的方法是,建模者使用COMSOL Multiphysics中的Application Builder生成一个专门的仿真应用程序。通过这种方式创建的模拟应用程序有自己的定制用户界面,使更多的人可以轻松使用模拟,而不必自己是建模和模拟专家。通过使用COMSOL Compiler™创建独立的可执行程序,或通过基于web的COMSOL Server™软件,应用程序可以被部署以获得更广泛的用途。鲍彻总结道:“你可以自由地以任何你认为合适的方式发布这些应用程序,使用COMSOL®软件派生出你自己的模拟程序,由COMSOL Multiphysics驱动,你可以分发给你的同事和同事。”

要了解有关模拟光学和光子学工具的更多信息,请浏览COMSOL产品套件:


评论(2)

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伊瓦尔·吉尔伯格
伊瓦尔·吉尔伯格
2020年8月3日

亲爱的所有,

从COMSOL用户的角度来看,尤其是在光电机械方面,我只能强调,在相同的环境、相同的方法、相同的方法,以及通过(重新)使用相同的(子集)来执行力学、热学、ACDC、流体学和光学等功能的工具具有独特的优势对您的模型进行不同的分析。

However, for many (older?) engineers (I’m 65 and a convinced COMSOL user used to traditional FEM programs, or traditional opto-geometry ray-tracing programs the COMSOL approach is “different” you need to restart your thinking a little, but once you understand the advantages, it’s just limitless, and “multi-physics” is finally really not that difficult, if you build your models systematically, starting simple, and adding complexity with time, and then optimise your design, still within the same tool.

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我只能强烈推荐这个工具用于您的下一个光力学或全面停止分析,这是世界上只有少数几家大公司可以执行,与一个工程师团队,而您可能运行它,甚至经常在您的笔记本电脑上。如果您感到困惑,社区和COMSOL支持会帮助您通过模型。

玩得开心COMSOLing,
真诚地
伊瓦尔

伊瓦尔·吉尔伯格
伊瓦尔·吉尔伯格
2020年8月3日

亲爱的所有,

从COMSOL用户的角度来看,尤其是在光电机械方面,我只能强调,在相同的环境、相同的方法、相同的方法,以及通过(重新)使用相同的(子集)来执行力学、热学、ACDC、流体学和光学等功能的工具具有独特的优势对您的模型进行不同的分析。

However, for many (older?) engineers (I’m 65 and a convinced COMSOL user used to traditional FEM programs, or traditional opto-geometry ray-tracing programs the COMSOL approach is “different” you need to restart your thinking a little, but once you understand the advantages, it’s just limitless, and “multi-physics” is finally really not that difficult, if you build your models systematically, starting simple, and adding complexity with time, and then optimise your design, still within the same tool.

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真诚地
伊瓦尔

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