COMSOL 光学培训课程大纲

——光子学与电磁学仿真核心技能实战提升

一、培训目标与收益

1. 培训目标

· 掌握光学仿真核心理论：深入理解波动光学、电磁场仿真基础理论，熟悉 COMSOL 光学模块的核心功能与适用场景。

· 精通软件操作与建模流程：独立完成光子晶体、波导、超构材料等光学器件的建模、仿真与结果分析，解决实际工程与科研问题。

· 提升多物理场耦合仿真能力：掌握光-热、光-力等多物理场耦合仿真技术，优化器件性能（如提升传输效率、降低损耗）。

· 培养科研与工程应用思维：通过案例实战与论文复现，掌握利用 COMSOL 进行创新性研究的方法，提升论文发表竞争力。

2. 培训收益

· 技术能力升级：从基础理论到高阶仿真，覆盖光子学、电磁学、拓扑光学等前沿领域，支持光通信、传感、能源等行业研发。

· 职业竞争力提升：为了获得《COMSOL 光电仿真应用工程师》认证证书，具备独立承担光学仿真项目的能力，助力晋升至光学工程师、仿真专家等岗位。

· 研发效率优化：通过仿真替代部分实验测试，减少样件制作与测试成本 50% 以上；加速器件迭代，缩短研发周期 30%-60%。

· 科研成果转化：结合论文实例与专项解决方案，提升仿真结果的可发表性，助力 Nature、Science 等顶刊论文发表。

二、培训内容与模块安排

模块 1：COMSOL 光学仿真基础与软件操作

· 内容 

· 光学仿真理论框架：波动光学基本原理、电磁场仿真数学基础（麦克斯韦方程组、亥姆霍兹方程）。

· COMSOL 软件入门：

· 界面与功能：模型向导、几何建模、材料定义、边界条件设置。

· 网格划分技巧：光学仿真网格加密标准、边界层网格优化。

· 求解器选择：频域求解、瞬态求解、参数化扫描。

· 案例 1：光子晶体能带分析 

· 构建六边形晶格光子晶体，设置周期性边界条件，计算能带结构与能谱分布。

模块 2：光子器件仿真与优化设计

· 内容 

· 波导器件仿真：

· 直波导与弯曲波导：计算有效折射率、传输损耗，优化弯曲半径以降低辐射损耗。

· 表面等离激元波导：仿真金/银纳米线波导的电磁场分布，分析模式 confinement 效应。

· 光子晶体与拓扑光学：

· 拓扑边缘态仿真：设计魔角光子晶体，验证拓扑保护的光传输特性。

· 非厄米系统奇异点：仿真 PT 对称波导结构，分析奇异点附近的灵敏度增强效应。

· 案例 2：波导耦合器设计 

· 设计环形波导与直波导耦合结构，通过参数化扫描调节环半径，优化谐振波长与耦合效率。

模块 3：超构材料与表面等离激元仿真

· 内容 

· 超材料透射/反射分析：

· 周期性超表面：仿真金属纳米孔阵列的透射谱，优化占空比与周期实现特定波长滤波。

· 非线性增强效应：仿真硅基超表面的二次谐波生成（SHG），分析共振模式的多极展开。

· 二维材料建模：

· 石墨烯电导率设置：通过 Drude-Lorentz 模型定义石墨烯介电常数，仿真太赫兹波段调制器。

· 二硫化钼（MoS₂）拉曼散射：仿真 MoS₂ 纳米片的拉曼信号增强，验证表面等离激元共振效应。

· 案例 3：超表面透镜设计 

· 设计相位梯度超表面，实现光束聚焦或异常折射（如负折射），计算聚焦效率与焦斑尺寸。

模块 4：多物理场耦合仿真与器件设计

· 内容 

· 光-热耦合仿真：

· 激光加热效应：仿真金属纳米颗粒在激光照射下的温度分布，分析热形变对光学性能的影响。

· 光热治疗器件：设计金纳米棒阵列，优化光吸收效率与热产生速率，支持癌症治疗应用。

· 光力与光镊仿真：

· 光镊力势场计算：仿真高斯光束对微粒的辐射力与势阱深度，验证光镊捕获稳定性。

· 案例 4：光-热-力耦合传感器 

· 仿真微纳梁结构在光热效应下的弯曲变形，计算变形量与入射光功率的关系，设计高灵敏度传感器。

模块 5：高阶仿真技能与科研专项突破

· 内容 

· COMSOL with MATLAB 联用：

· 复杂函数设置：通过 MATLAB 脚本定义石墨烯电导率随化学势的变化，仿真可调谐超表面。

· 能带求解自动化：编写脚本批量计算光子晶体能带，生成色散关系曲线。

· 网格收敛性与边界条件选择：

· 收敛性检查：逐步增加网格密度，验证仿真结果的稳定性。

· 边界条件对比：分析 PML、散射边界、周期性边界在不同场景下的适用性。

· 案例 5：科研论文复现与优化 

 

 

 

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