COMSOL光学仿真全面教程：光子学与电磁学应用案例解析与实战

在现代科技的浪潮中，光子学与电磁学作为关键的前沿领域，正经历着多学科交叉融合带来的深刻变革。从光子晶体到二维材料，从拓扑光子学到非厄米光学，这些新兴方向不仅拓展了光学的研究边界，也为解决实际问题提供了全新的思路和方法。然而，传统实验手段在面对复杂多物理场耦合问题时，往往难以高效地进行探索和优化。COMSOL多物理场仿真软件作为一种强大的工具，能够精确地模拟光与物质在多尺度、多物理场下的相互作用，为科研人员和工程师提供了从理论到实践的桥梁。

国际趋势方面，Nature Photonics、ACS Photonics等顶尖学术期刊持续聚焦“多物理场耦合”、“拓扑光子学”、“二维材料光学”等前沿研究方向，COMSOL技术与多学科知识融合驱动的光学创新研究正成为全球热点。由知名学者领衔的科研团队不断在超材料设计、光子器件优化、微纳结构仿真等方面取得突破性成果，推动着光学技术向更高精度、更广泛应用等目标加速迈进。

国家需求层面，我国在光通信、光信息处理、光学成像、光子芯片等领域的快速发展，对于能够掌握先进光学设计与模拟技术的人才需求日益迫切。《国家自然科学基金“十四五”发展规划》优先发展领域中明确提出“发展新材料、新架构、新机制的电路、射频模块及天线技术，探索高效电磁计算、电磁波智能调控方法、以及电子信息系统跨越发展新技术，服务国家电子信息产业发展战略。”

为了满足工业界和学术界对于融合光学、材料科学、电子科学和COMSOL技术多学科知识与技能的复合型人才的需求，也为解决大家在COMSOL学习过程中遇到的问题

案例应用实操教学

案例一光子晶体能带分析、能谱计算、光纤模态计算、微腔腔膜求解

案例二类比凝聚态领域魔角石墨烯的moiré光子晶体建模以及物理分析

案例三传播表面等离激元和表面等离激元光栅等

案例四超材料和超表面仿真设计，周期性超表面透射反射分析

案例五光力、光扭矩、光镊力势场计算

案例六波导模型（表面等离激元、石墨烯等）本征模式分析、各种类型波导传输效率求解

案例七光-热耦合案例

案例八天线模型

案例九二维材料如石墨烯建模

案例十基于微纳结构的电场增强生物探测

案例十一散射体的散射,吸收和消光截面的计算

案例十二拓扑光子学：拓扑边缘态和高阶拓扑角态应用仿真

案例十三二硫化钼的拉曼散射

案例十四磁化的等离子体、各向异性的液晶、手性介质的仿真

案例十五光学系统的连续谱束缚态

案例十六片上微纳结构拓扑优化设计(特殊情况下，利用二维系统来有效优化三维问题)

案例十七形状优化反设计：利用形状优化设计波导带通滤波器

案例十八非厄米光学系统的奇异点：包括PT对称波导结构和光子晶体板系统等

案例十九微纳结构的非线性增强效应，以及共振模式的多极展开分析

案例二十学员感兴趣的其他案例

软件操作系统教学Q

COMSOL软件入门

初识COMSOL仿真——以多个具体的案例建立COMSOL仿真框架，建立COMSOL仿真思路，熟悉软件的使用方法

1、COMSOL软件基本操作参数，变量，探针等设置方法、几何建模

Ø基本函数设置方法，如插值函数、解析函数、分段函数等

Ø特殊函数的设置方法，如积分、求极值、求平均值等

Ø高效的网格划分

2、前处理和后处理的技巧讲解

Ø特殊变量的定义，如散射截面，微腔模式体积等

Ø如何利用软件的绘图功能绘制不同类型的数据图和动画

Ø数据和动画导出

Ø不同类型求解器的使用场景和方法

COMSOL软件进阶

3、COMSOL中RF、波动光学模块仿真基础

ØCOMSOL中求解电磁场的步骤

ØRF、波动光学模块的应用领域

4、RF、波动光学模块内置方程解析推导

Ø亥姆霍兹方程在COMSOL中的求解形式

ØRF方程弱形式解析，以及修改方法(模拟特殊本构关系的物质)

Ø深入探索从模拟中获得的结果

（如电磁场分布、功率损耗、传输和反射、阻抗和品质因子等）

5、边界条件和域条件的使用方法

Ø完美磁导体和完美电导体的作用和使用场景

Ø阻抗边界条件、过度边界条件、散射边界条件、周期性边界条件的作用

Ø求解域条件：完美匹配层的理论基础和使用场景、PML网格划分标准

Ø远场域和背景场域的使用

Ø端口使用场景和方法

Ø波束包络物理场的使用详解

6、波源设置

Ø散射边界和端口边界的使用方法和技巧（波失方向和极化方向设置、S参数、反射率和透射率的计算和提取、高阶衍射通道反射投射效率的计算）

Ø频域计算、时域计算

Ø点源,如电偶极子和磁偶极子的使用方法

Ø背景场的作用及使用方法

7、材料设置

Ø计算模拟中各向同性,各向异性,金属介电和非线性等材料的设置

Ø二维材料,如石墨烯、MoS2的设置

Ø特殊本构关系材料的计算模拟(需要修改内置的弱表达式)

8、网格设置

Ø精确仿真电磁场所需的网格划分标准

Ø网格的优化

Ø案列教学

9、COMSOL WITH MATLAB功能简介

ØCOMSOL WITH MATLAB进行复杂的物理场或者集合模型的建立(如超表面波前的衍射计算)

ØCOMSOL WITH MATLAB进行复杂函数的设置(如石墨烯电导函数的设置和仿真)

ØCOMSOL WITH MATLAB进行高级求解运算和后处理

ØCOMSOL WITH MATLAB求解具有色散材料的能带

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审核编辑 黄宇