在現代科技的浪潮中,光子學與電磁學作為關鍵的前沿領域,正經歷著多學科交叉融合帶來的深刻變革。從光子晶體到二維材料,從拓撲光子學到非厄米光學,這些新興方向不僅拓展了光學的研究邊界,也為解決實際問題提供了全新的思路和方法。然而,傳統實驗手段在面對復雜多物理場耦合問題時,往往難以高效地進行探索和優化。COMSOL多物理場仿真軟件作為一種強大的工具,能夠精確地模擬光與物質在多尺度、多物理場下的相互作用,為科研人員和工程師提供了從理論到實踐的橋梁。
國際趨勢方面,Nature Photonics、ACS Photonics等頂尖學術期刊持續聚焦“多物理場耦合”、“拓撲光子學”、“二維材料光學”等前沿研究方向,COMSOL技術與多學科知識融合驅動的光學創新研究正成為全球熱點。由知名學者領銜的科研團隊不斷在超材料設計、光子器件優化、微納結構仿真等方面取得突破性成果,推動著光學技術向更高精度、更廣泛應用等目標加速邁進。
國家需求層面,我國在光通信、光信息處理、光學成像、光子芯片等領域的快速發展,對于能夠掌握先進光學設計與模擬技術的人才需求日益迫切。《國家自然科學基金“十四五”發展規劃》優先發展領域中明確提出“發展新材料、新架構、新機制的電路、射頻模塊及天線技術,探索高效電磁計算、電磁波智能調控方法、以及電子信息系統跨越發展新技術,服務國家電子信息產業發展戰略。”
為了滿足工業界和學術界對于融合光學、材料科學、電子科學和COMSOL技術多學科知識與技能的復合型人才的需求,也為解決大家在COMSOL學習過程中遇到的問題
案例應用實操教學
案例一光子晶體能帶分析、能譜計算、光纖模態計算、微腔腔膜求解
案例二類比凝聚態領域魔角石墨烯的moiré光子晶體建模以及物理分析
案例三傳播表面等離激元和表面等離激元光柵等
案例四超材料和超表面仿真設計,周期性超表面透射反射分析
案例五光力、光扭矩、光鑷力勢場計算
案例六波導模型(表面等離激元、石墨烯等)本征模式分析、各種類型波導傳輸效率求解
案例七光-熱耦合案例
案例八天線模型
案例九二維材料如石墨烯建模
案例十基于微納結構的電場增強生物探測
案例十一散射體的散射,吸收和消光截面的計算
案例十二拓撲光子學:拓撲邊緣態和高階拓撲角態應用仿真
案例十三二硫化鉬的拉曼散射
案例十四磁化的等離子體、各向異性的液晶、手性介質的仿真
案例十五光學系統的連續譜束縛態
案例十六片上微納結構拓撲優化設計(特殊情況下,利用二維系統來有效優化三維問題)
案例十七形狀優化反設計:利用形狀優化設計波導帶通濾波器
案例十八非厄米光學系統的奇異點:包括PT對稱波導結構和光子晶體板系統等
案例十九微納結構的非線性增強效應,以及共振模式的多極展開分析
案例二十學員感興趣的其他案例
軟件操作系統教學Q
COMSOL軟件入門
初識COMSOL仿真——以多個具體的案例建立COMSOL仿真框架,建立COMSOL仿真思路,熟悉軟件的使用方法
1、COMSOL軟件基本操作參數,變量,探針等設置方法、幾何建模
?基本函數設置方法,如插值函數、解析函數、分段函數等
?特殊函數的設置方法,如積分、求極值、求平均值等
?高效的網格劃分
2、前處理和后處理的技巧講解
?特殊變量的定義,如散射截面,微腔模式體積等
?如何利用軟件的繪圖功能繪制不同類型的數據圖和動畫
?數據和動畫導出
?不同類型求解器的使用場景和方法
COMSOL軟件進階
3、COMSOL中RF、波動光學模塊仿真基礎
?COMSOL中求解電磁場的步驟
?RF、波動光學模塊的應用領域
4、RF、波動光學模塊內置方程解析推導
?亥姆霍茲方程在COMSOL中的求解形式
?RF方程弱形式解析,以及修改方法(模擬特殊本構關系的物質)
?深入探索從模擬中獲得的結果
(如電磁場分布、功率損耗、傳輸和反射、阻抗和品質因子等)
5、邊界條件和域條件的使用方法
?完美磁導體和完美電導體的作用和使用場景
?阻抗邊界條件、過度邊界條件、散射邊界條件、周期性邊界條件的作用
?求解域條件:完美匹配層的理論基礎和使用場景、PML網格劃分標準
?遠場域和背景場域的使用
?端口使用場景和方法
?波束包絡物理場的使用詳解
6、波源設置
?散射邊界和端口邊界的使用方法和技巧(波失方向和極化方向設置、S參數、反射率和透射率的計算和提取、高階衍射通道反射投射效率的計算)
?頻域計算、時域計算
?點源,如電偶極子和磁偶極子的使用方法
?背景場的作用及使用方法
7、材料設置
?計算模擬中各向同性,各向異性,金屬介電和非線性等材料的設置
?二維材料,如石墨烯、MoS2的設置
?特殊本構關系材料的計算模擬(需要修改內置的弱表達式)
8、網格設置
?精確仿真電磁場所需的網格劃分標準
?網格的優化
?案列教學
9、COMSOL WITH MATLAB功能簡介
?COMSOL WITH MATLAB進行復雜的物理場或者集合模型的建立(如超表面波前的衍射計算)
?COMSOL WITH MATLAB進行復雜函數的設置(如石墨烯電導函數的設置和仿真)
?COMSOL WITH MATLAB進行高級求解運算和后處理
?COMSOL WITH MATLAB求解具有色散材料的能帶
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