Simulace optiky v COMSOL Multiphysics

COMSOL Multiphysics je víceúčelový software pro modelování konstrukcí, zařízení a procesů ve všech oblastech inženýringu, výroby a vědy. Z modelů lze jednoduše vytvořit aplikace používané dalšími odděleními jako „digital twin“ reálné konstrukce, zařízení či procesu. Software nabízí v oblasti optiky dva odlišné přístupy vycházející z dualismu částice a vlnění. Tento článek si klade za cíl představit možnosti obou přístupů.

Jaký nástroj zvolit?

Volba správného modulu

Volba správného modulu závisí jak na velikosti geometrie tak na frekvenci.

V úlohách trasování paprsků se využívá částicového pojetí optiky implementovaného do Ray Optics Module, zatímco pro simulace dějů v rozměrech mikro- a nanometrů uživatelé využívají Wave Optics Module, jenž uvažuje světlo jako elektromagnetické vlnění. Do rozhodovacího procesu při výběru správného modulu vstupuje samozřejmě i vlnová délka, návod poskytuje obr.1. Moderní nástroj pro numerické simulace staví na tom, že preprocessing, samotné řešení soustav lineárních rovnic a postprocessing jsou z velké části stále stejné – nezávislé na fyzikálním jevu. Právě toto společné zahrnuje jádro COMSOL Multiphysics, které je neustále zdokonalováno, aby splňovalo nejmodernější potřeby vědy, výzkumu a průmyslu. K jádru lze přikupovat moduly pokrývající 26 fyzikálně-chemických oblastí, kdykoliv nějakou budete potřebovat. COMSOL je nástroj pro modelování elektromagnetismu, optiky, akustiky, proudění, přestupu tepla, pevnosti, životnosti, pohybu mechanismů nebo chemie a elektrochemie. Software je výjimečný nejen šíří modulů, ale také tím, že nakoupené moduly můžete propojovat mezi sebou a řešit multifyzikální je­vy.

Paprsková optika v Ray Optics Module

Polohu, energii, polarizaci či fázi světelného paprsku počítá Ray Optics Module. Modul umožňuje simulovat šíření světla za předpokladu, že měřítko geometrie je o několik řádů větší než vlnová délka. Pomocí Ray Optics Module například firma KEJAKO vytvořila 3D parametrizovaný model lidského oka pro vývoj inovativních metod v oftalmologii.

Příklad využití Ray Optics Module

Příklad využití Ray Optics Module.

Paprsková optika nachází uplatnění v celé řadě dalších oborů od konstrukce teleskopů, laserů, monochromátorů, optických filtrů, interferometrů přes osvětlovací techniku budov nebo automobilů po moderní technologie LIDAR systémů. Zajímavým řešením je využití vestavěné databáze meteorologických dat včetně pohybu Slunce umožňující výpočet oslunění fotovoltaických panelů nebo odrazů paprsků od lesklých fasád domů.

Jednou z klíčových výhod COMSOL Multiphysics je excelentní řešení výpočtů multifyzikálních dějů. V případě paprskové optiky je možné počítat úlohy svazující optiku s pevnostním a teplotním namáháním skrz rozhraní Ray heat source.

Analýza Mikro a Nano optických zařízení s Wave Optics Module

Pokud je zapotřebí simulovat děje s geometrií o rozměrech mikro- a nanometrů, je nutné uvažovat světlo jako elektromagnetické vlnění. Wave Optics Module řeší pomocí metody konečných prvků Maxwellovy vlnové rovnice. Klasickým příkladem využití Wave Optics Module jsou simulace difrakce nebo disperze světla v optických mřížkách, krystalech, metamateriálech nebo hologramech. Modul tak nachází uplatnění při výrobě nebo optimalizaci monochromátorů, spektrometrů, polarizátorů, optických senzorů nebo například holografických datových nosičů. Poměrně časté je také využití při návrhu vlnovodů a optických kabelů, všech typů laserů a také v optické fotolitografii.

Příklady využití Wave Optics Module

Příklady využití Wave Optics Module COMSOL Multiphysics.

Implementace vlnové optiky v COMSOL Multiphysics disponuje mj. i Beam Envelope metodou. Jedná se o numerickou metodu, která umí efektivně a spolehlivě vyřešit opticky velké problémy s hrubší sítí a tudíž nižšími výpočetními nároky.

Závěr

Největší výhodu Wave Optics Module představuje začlenění do prostředí COMSOL Multiphysics. COMSOL poskytuje značnou flexibilitu, protože umožňuje uživatelům upravovat stávající nebo definovat vlastní parciální nebo obyčejné diferenciální rovnice či okrajové podmínky. Díky tomu mohou uživatelé definovat vlastní materiály včetně chirálních, gyromagnetických a nebo metamateriálů s navrženými vlastnostmi. Mnoho simulací vlnové optiky se také neobejde bez zahrnutí vlivu dalších fyzikálních jevů. Ve Wave Optics Module můžete například zahrnout vliv přestupu tepla v simulacích laserů, vliv strukturální mechaniky v optomechanických modelech nebo simulovat polovodiče v modelech polovodičových laserů. To vše v jednom modelu, v jednom software, s jednotným uživatelským rozhraním, s jednotným pracovním postupem. Každý vývoj a výzkum vyžaduje specifické potřeby, neváhejte nám sdělit ty Vaše. Ozveme se Vám s doporučeními, zkušební licencí, vzorovými simulacemi a rádi Vám řešení v COMSOL představíme na míru.

Detail sítě uvnitř čočky simulované pomocí Beam Envelope Metody

Detail sítě uvnitř čočky simulované pomocí Beam Envelope Metody. Více o této metodě najdete pod tímto odkazem.

Zkušební licence COMSOL Multiphysics

Získat zdarma zkušební licenci

Martin Kožíšek (HUMUSOFT), 2.4.2019