光電作為物理類專業(yè)課程中極為重要的一部分，其教學內(nèi)容一直受到各個高校的重視。結合目前許多學生對實驗開展的痛難點，將軟件仿真引入實驗當中，通過軟件的可視化處理有效直觀的展示光電仿真的流程，與實驗數(shù)據(jù)結合，使得文章內(nèi)容具有說服力、預見性和新穎性。

1. 本次系列共三個專題，均采用在線直播（理論+實操）、Step by step的教學方式、課堂上連麥答疑、提供無限次回放視頻，發(fā)送全部案例模型文件，建立永不解散的課程群，長期互動答疑；課堂上以具體案例和科研論文為實例，討論在處理具體問題時如何應用專業(yè)軟件以及如何做出能夠發(fā)表的結果；

2. 每一專題課程均通過多個場景案例的應用實例講解，學習借助相應軟件在不同的應用環(huán)境下分析、評估、預測行業(yè)中涉及器件的性能的方法，使光電子器件設計滿足當前和未來的發(fā)展。

專題一：“COMSOL 多場耦合仿真技術與應用”光電專題

(一) 案列應用實操教學：案例一光子晶體能帶分析、能譜計算、光纖模態(tài)計算、微腔腔膜求解案例二類比凝聚態(tài)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(tài)和高階拓撲角態(tài)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(zhì)的仿真案例十五光學系統(tǒng)的連續(xù)譜束縛態(tài)案例十六片上微納結構拓撲優(yōu)化設計(特殊情況下，利用二維系統(tǒng)來有效優(yōu)化三維問題)案例十七形狀優(yōu)化反設計：利用形狀優(yōu)化設計波導帶通濾波器案例十八非厄米光學系統(tǒng)的奇異點：包括PT對稱波導結構和光子晶體板系統(tǒng)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

(一)?軟件操作系統(tǒng)教學：

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

COMSOL軟件基本操作

? 參數(shù)，變量，探針等設置方法、幾何建模

? 基本函數(shù)設置方法，如插值函數(shù)、解析函數(shù)、分段函數(shù)等

? 特殊函數(shù)的設置方法，如積分、求極值、求平均值等

? 高效的網(wǎng)格劃分

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(shù)據(jù)圖和動畫

? 數(shù)據(jù)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

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

RF、波動光學模塊內(nèi)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(zhì))

? 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(zhì)因子等）

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(wǎng)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

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(shù)、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

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(nèi)置的弱表達式)

網(wǎng)格設置

? 精確仿真電磁場所需的網(wǎng)格劃分標準

? 網(wǎng)格的優(yōu)化

案列教學

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(shù)的設置(如石墨烯電導函數(shù)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

專題二：“RSoft光電器件設計仿真技術與應用”大綱Rsoft基礎入門1、RSoftCAD 使用方法
1.1 RSoftCAD界面的常規(guī)介紹，總體和局部器件參數(shù)的設置
1.2 不同2D、3D器件的建立方式，用戶自定義taper形的設置
1.3 用戶自定義profile折射率分布的設置
1.4 材料參數(shù)的編輯，色散模型的建立
1.5 多邊形、稜鏡、螺旋結構和其它常規(guī)器件的建立
1.6 器件中次層結構的導入，陣列光子晶體的產(chǎn)生等無源器件系列仿真2、BeamPROP（BPM）、FullWAVE（FDTD）模塊學習
2.1兩個模塊的數(shù)字模擬機理，使用原則
2.2 入射波場的設置
2.3 模擬參數(shù)的設置
2.4 監(jiān)測器的設置
2.5 各種特性的測試和輸出
3、實例計算：
?
波導的本征模式
?
輸入輸出
?
偶合系數(shù)
?
傳播功率
?
損耗等
?
光通過微器件后的透射
?
反射譜等光纖波導、微波導、硅光電子器件模擬4、實例計算：
? 單模、多模光纖的模式計算
? 色散計算
? 超小波導中光的傳播計算
? 彎曲波導中的損耗計算
? 硅波導、立式偶合器模擬分析
? 環(huán)形諧振器模擬分析
? 硅光自由電子調(diào)制器模擬分析
? SOI Mach-Zehnder調(diào)制器模擬分析
? SOI光子探測器模擬分析
? 其他學員感興趣相關器件計算分析光纖光柵結構、太陽能電池光學模擬5、Diffractmode模塊、Gratingmode模塊學習（結合beamprop進行講解，并以不同專業(yè)方向為例，讓學員更系統(tǒng)理解模塊之間的關聯(lián)，以便更能靈活應用）
Diffractmode模塊:
?
計算光柵結構的衍射
?
反射
?
透射率
以太陽電池對象為例：
?
計算以光柵結構作為陷光結構
?
計算不同光柵結構下電池對光的吸收
Gratingmode模塊：
?
計算不同光纖光柵結構下的透射反射
以長周期光纖光柵和短周期光纖光柵為例：
?
介紹如何設置不同的周期性參數(shù)
?
獲取透射譜與反射譜

專題三：“FDTD 時域有限差分數(shù)值模擬方法與應用”光電專題

課
程內(nèi) 容FDTD基礎入門1
FDTD Solutions 求解物理問題的方法
1.1 FDTD與麥克斯韋方程 1.2 FDTD中的網(wǎng)格化
2
FDTD Solutions 特點與應用
3
FDTD功能與使用
? 主窗口——CAD人機交互界面
? 計算機輔助設計（CAD）模擬編輯器:主標題欄、工具條、實體對象樹實體對象庫、腳本提示與腳本編輯窗口FDTD仿真流程4 FDTD仿真通用流程
? 激勵光源選擇及設置（以左旋圓偏光的設置為例）
? 模擬的實體對象：基底、結構（Structures）的選擇及設置
? 仿真區(qū)域及其設置（以區(qū)域大小設置及mesh選擇為例）
? 不同監(jiān)視器功能及使用（以超構表面頻域功率監(jiān)視器設置為例）
? 材料庫與材料瀏覽器（以多晶硅與二氧化鈦的數(shù)據(jù)導入為例）
? 模擬計算與分析：資源管理、運行模擬
? 結果分析：視覺化器使用Visualize、使用腳本進行高級分析FDTD仿真實例實例內(nèi)容：
（一）設置Pancharatnam–Berry型超構表面結構，單元旋向及位置
（二）傳輸型超構表面單元的結構掃描與選取
（三）傳輸型超構表面的相位分布設置
（四）通過相位疊加螺旋相位模擬生成漩渦光
（五）超構表面的透過率/聚焦效率的分析
（六）不同偏振態(tài)的光入射下，驗證傳輸型超構表面偏振不敏感性
（七）利用腳本由近場計算遠場
（八）利用腳本的導出結果及MATLAB結果分析—偏振轉(zhuǎn)換效率計算
（九）利用TFSF計算納米結構散射場信息
（十）利用TFSF和自定義材料計算復合結構散射場信息
（十一）利用MATLAB計算結果及腳本設置超構表面—生成全息圖形
（十二）利用導入光源進行任意光源設置
（十三）利用腳本構建波導結構
（十四）波導截面本征模式分析模擬論文復現(xiàn)5 PB型超構表面設計：生成聚焦及渦旋光斑
----（根據(jù)發(fā)表在Science上的論文）
6 PB型超構表面設計：生成Airy光束
----(根據(jù)發(fā)表在ACS NANO上的論文)
7 傳輸型超構表面設計：生成Airy光束
----（根據(jù)發(fā)表在Photonics
Research上的論文）
8 等離子激元納米結構光學特性以及有效介質(zhì)理論計算復合結構的光學特性：量化散射截面與吸收截面
----（根據(jù)發(fā)表在ACS Nano上的論文）
9 漸變耦合雙波導設計：波導本征模式轉(zhuǎn)換
----（根據(jù)發(fā)表在Physical Review
Letters上的論文）
10 L型截面波導設計：不同偏振波導本征模式轉(zhuǎn)換
----（根據(jù)發(fā)表在Physical Review
Letters上的論文）

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