Zwei Video-Diskussionen über die multiphysikalischen Simulation in Optik und Photonik

Warum sollte man Multiphysik-Software für optische Simulationen verwenden? Das ist eine der Fragen, die der leitende Redakteur von Laser Focus World, John Wallace, in einem zweiteiligen Video mit Chris Boucher, einem technischen Produktmanager von COMSOL, stellt. Wenn Sie noch nie mit Simulation gearbeitet haben, sehen Sie sich Teil 1 “Introduction to COMSOL Multiphysics^®” an, um zu verstehen, wie Simulation das Design optischer Produkte verbessern kann. In Teil 2, “COMSOL Applications in Optics and Photonics”, diskutieren Wallace und Boucher, warum Sie mehr als nur Optik simulieren sollten. Sehen Sie sich die beiden Video-Diskussionen an und lesen Sie die Zusammenfassung unten.

Teil 1: Introduction to COMSOL Multiphysics^®

Argumente für die Simulation von Wellen und Strahlen

Zu Beginn des Gesprächs erläuterte John Wallace den Zweck der Laser Focus World Quick Chats, die Optik- und Photonik-Ingenieuren praktische Informationen für ihre Forschungs- und Entwicklungsarbeit liefern. Um das Thema Simulation zu behandeln, hatte Wallace ein zehnminütiges Gespräch mit Chris Boucher von COMSOL geplant. Im Laufe des Gesprächs wurde jedoch klar, dass das Thema noch viel mehr zu bieten hatte, und so führten sie stattdessen ein längeres, zweiteiliges Gespräch.

Die Simulation von Optik und Photonik wird sowohl im kommerziellen als auch im akademischen Bereich in großem Umfang eingesetzt. Die F&E-Community im Bereich Optik hat die COMSOL Multiphysics^® Software schon früh für die Simulation von optischen Fasern, Plasmonik, Laser-Material-Wechselwirkungen, photonischen Schaltern, organischen LEDs und vielem mehr eingesetzt. Nun fragen Sie sich vielleicht, was Unternehmen dazu bringt, sich überhaupt mit Software für das optische Design zu beschäftigen?

Boucher erklärte, warum Unternehmen die Simulation für die Entwicklung optischer und photonischer Geräten einsetzen. Auf Unternehmensebene ist die Hauptmotivation für die Investition in Simulationssoftware, Zeit und Geld zu sparen, um die richtigen Produkte schneller und kostengünstiger auf den Markt zu bringen. Auf technischer Ebene kann die Simulation durch die virtuelle Prüfung eines Designs dazu beitragen, das Verständnis zu verbessern und die Leistung vorherzusagen, bevor ein physischer Prototyp gebaut wird.

“Mit der Simulation kann man ein Objekt auf eine Weise untersuchen, wie es bei einem realen physischen Objekt nicht möglich ist. Wenn man zum Beispiel die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen analysiert, kann man die Amplitude des elektrischen Feldes an jedem beliebigen Punkt und zu jeder beliebigen Zeit ablesen, was mit physischen Experimenten nicht möglich wäre”, so Boucher.

Planung, Diagnostik, und Optimierung von Designs

Anschließend diskutierten Wallace und Boucher die Arten optischer Geräte, die simuliert werden können, und gaben einen kurzen Überblick über die numerischen Methoden, die zur Analyse optischer Wellen und Strahlen verwendet werden. Die für die optische Simulation verwendeten Methoden unterscheiden sich je nach optischer Größe und lassen sich in zwei Hauptkategorien unterteilen:

1. Wenn die Wellenlänge des Lichts viel kleiner ist als die geometrische Größe
2. Wenn die Wellenlänge ungefähr der geometrischen Größe entspricht

COMSOL Multiphysics unterstützt beide Szenarien. Im ersten Fall werden Raytracing-Methoden verwendet, um Strahlen in Systemen wie Linsen, Spiegeln und Strukturen zu verfolgen. Im zweiten Fall werden die Finite-Elemente-Methode und die Methode der Strahleinhüllenden verwendet, um die Lösung für elektromagnetische Wellen in optischen Geräten wie Fasern und Wellenleitern mit hoher Genauigkeit zu berechnen.

Dieses Raytracing-Bild durch eine Lüneburg-Linse wurde mit dem Ray Optics Module erstellt.

“Was veranlasst einen Ingenieur dazu, COMSOL Multiphysics erstmals einzusetzen?”, fragte Wallace. In der Regel wird Simulationssoftware eingesetzt, um neue Produkte zu entwickeln oder ein Produkt zu verbessern, und manchmal auch, um herauszufinden, warum sich ein vorhandenes Produkt auf eine bestimmte Weise verhält. Die Durchführung einer Simulation kann die Anzahl der Experimente, die durchgeführt werden müssen, oder die Anzahl der physischen Prototypen, die gebaut werden müssen, um ein Design zu erhalten, das alle Anforderungen erfüllt, reduzieren”, kommentiert Boucher.

Teil 2: COMSOL Applications in Optics and Photonics

Simulieren Sie nicht nur Optik

Im zweiten Teil des Interviews sprachen Wallace und Boucher über die Modellierung von Systemen und Produkten, bei denen optische Phänomene mit anderen physikalischen Phänomenen interagieren und mit diesen gekoppelt sind. Eine besondere Stärke von COMSOL Multiphysics ist, dass es die Lösung für eine beliebige Anzahl verschiedener physikalischer Phänomene und eine beliebige Anzahl von Kopplungen berechnen kann. Dies hilft bei Designaufgaben wie der Vorhersage der thermischen Verformung einer Linse, die durch die Erwärmung beim Durchgang von Licht verursacht wird, allgemein bekannt als strukturell-thermisch-optische Leistungsanalyse (STOP). Weitere Anwendungen sind die strukturelle Verformung von optischen Fasern, Biophotonik, Laserschweißen, Electrowetting-Linsen und vieles mehr.

Die Möglichkeiten der COMSOL^®-Software für optische Simulationen enden nicht bei der Multiphysik. Die Modelle können nicht nur eine beliebige Anzahl physikalischer Größen enthalten, sondern auch sehr unterschiedliche Skalen behandeln. Dies ermöglicht die Modellierung von Problemen, die optisch sehr große und kleine Einheiten kombinieren. Die Behandlung mehrerer Skalen in ein und derselben Simulation erfolgt durch die Anwendung unterschiedlicher Methoden für verschiedene Teile des Systems. Beispielsweise werden für das optisch kleine Objekt die elektromagnetischen Welleneigenschaften mit der Finite-Elemente-Methode berechnet, während für den umgebenden großen Bereich die strahlenoptische Simulation zur Berechnung der Raytracing-Muster verwendet wird.

Diese multiphysikalische Simulation eines Hochleistungs-Laserfokussiersystems berücksichtigt die geometrische Optik und die thermische Verformung der Linsen.

Automatisierung von Berechnungen mit Simulations-Apps

Zum Abschluss des Interviews kam John Wallace auf einen interessanten Aspekt der Simulation zu sprechen: Wie können Modellaufbau und Berechnungen automatisiert werden?

Je nachdem, wie vertraut man mit COMSOL Multiphysics^® ist, gibt es verschiedene Ansätze. Parametrische Studien sind eine gängige Methode, um Berechnungen zu automatisieren. Sie lassen die Software einfach wiederholte Simulationen für eine Reihe von vordefinierten Parametern durchführen. Die Ergebnisse einer solchen parametrischen Simulation werden häufig zur Optimierung eines Designs verwendet.

Eine weitere Möglichkeit zur Automatisierung der Simulationsanwendung besteht darin, dass der Modellierer mit dem in COMSOL Multiphysics^® verfügbaren Application Builder eine spezielle Simulations-App erstellt. Eine auf diese Weise erstellte Simulations-App verfügt über eine eigene, angepasste Benutzeroberfläche, die es einem größeren Personenkreis ermöglicht, die Simulation zu nutzen, ohne selbst Modellierungs- und Simulationsexperte sein zu müssen. Apps können für eine breitere Nutzung bereitgestellt werden, indem eigenständige ausführbare Dateien mit COMSOL Compiler™ erstellt werden oder durch webbasierten Zugriff mit der COMSOL Server™ Software. “Sie können diese Apps auf jede erdenkliche Weise frei verbreiten, indem Sie die COMSOL^® Software verwenden, um Ihre eigenen Simulationsprogramme zu entwickeln, die Sie an Ihre Mitarbeiter und Kollegen weitergeben können”, schließt Boucher.

Um mehr über die Simulationswerkzeuge für Optik und Photonik zu erfahren, besuchen Sie die COMSOL Produktpalette: