JCMsuite纳米光学仿真软件

/xtq_*I1S   vz.>~HBP   软件概述 )W/;=K   i&{DOI%w   JCMsuite是计算复杂纳米光学系统中电磁场的有限元求解器。其连续力学和热传导模块能够实现复杂材料的建模，如应力诱导的双折射。利用所包含的光学成像和光源工具能够完成全波长光学系统仿真的工作流程，如显微镜、散射仪或单光子光源(包括芯片光纤耦合和非相干效应)。 DC{>TC[p1k   O T.*pk+<)   T5a*z}L5   4R18A=X   软件特色 i3rH'B-I.   JCMsuite是基于计算机科学的高级数学方法和技术。它利用了有限元方法(FEM)的强大功能和灵活性来快速和准确地获得结果，并使用最新的机器学习技术来优化复杂的光学器件。 0a80 LAK    CAD 和网格工具 SkmT`*v@    JCMsuite几何和网格工具是专门为光子应用而设计的 *S2ypzwRZ,    形状和几何图形：可以使用线性或弯曲单元创建各种CAD几何图形，如2D和3D图元、挤压体、圆角形状和自由形状 n{6G"t:^l    对称性：通过定义周期或镜像对称网格，或者通过在圆柱和扭曲坐标系中工作，可以大大减少计算时间 ep)>X@t    无限结构：支持多层结构、层状外部域和波导结构 ,l<6GB2\    自适应网格：自动网格细化，边角和法线细化可实现高度精确的计算 B95B|tU>.    Hp-FEM解算器 ")d`dj\o    有限元方法(FEM)提供了一种常规、严格、通用且非常快速的方法来解决科学和技术挑战 (Jz1vEEV    求解问题类别：JCMsuite解决了时间谐波麦克斯韦方程组的光散射问题、波导设计问题、光学共振问题以及线性弹性问题、热传导问题，以及这些类型的任何耦合问题类别 0#nPbe,Lj    自动数值设置：根据基于残差的误差估计，自动选择各种数值设置，如有限元度、PML设置(完美匹配层) ~ 4kc/a    材料和光源：可以定义各种材料的性质，如复合和各向异性材料的介电常数和磁导率张量、色散性质、热导率和刚度。例如，可以通过平面波，周期性或孤立的偶极子，光束和波导模式来激发结构 Y1]n^    后处理：特别关注光学中所有必要后处理的支持和高效计算，如傅里叶变换、远场、能量通量、重叠积分、光学成像、共振扩展和Purcell因子 EK4d_L]I    分析和优化工具包 #Y$hNQQ$F    机器学习技术能够有效地分析和优化光学器件的性能 iof-7{+3_    优化：贝叶斯优化是一种高效的优化方法，能够在更短的计算时间内开发高性能器件。其他支持的优化方法包括下行单纯形优化、粒子群优化、差分进化和L-BFGS-B方法 6I%5Q4Ll    不确定度量化：光学系统的参数往往存在不确定性和波动。该工具包包括几个有效的方法来确定参数敏感性(Sobol系数)以及波动下的平均性能和方差 ZIQ [bE7    参数重构：从实测数据重构材料属性、形状参数等系统参数是一项复杂的数值任务。JCMsuit包括了各种有效工具，可以对参数值及其测量不确定性进行时间高效和精确重构 #{?qNl8F*J    预测：经过一个学习阶段，可以预测未知参数下光学器件的性能 =3L;Z[^9   ]*AR,0N&   软件安装及运行环境 V#iPj'*     操作系统：Windows系统，要求64位版本；Linux系统 p6;OL@\~    CPU：至少具有2.4 GHz的四核处理器，建议至少具有3 GHz八核 K*~0"F>"0    RAM：8 GB，建议至少32 GB r,h%[JKM    硬盘空间：50 GB，建议使用250 GB SSD驱动器图形适配器 u:=7l    接口：USB 端口，DVD–ROM 光驱 B ]Thn   oz,e/v8~   RS8Hf~0G   软件应用领域现代纳米光学系统的复杂性使得大量的仿真非常必要。 JCMsuite提供的超严格的仿真可以让设计者深刻理解相关现象，了解更多不同领域带来的挑战。 [Al&   Le\?+h42>   计算光刻 h2XfC.f   `hQ5VJo   ]"?)Z   JCMsuite提供了完整的光学仿真链：对复杂照明的描述，通过光学成像系统和光掩模传播的光场的计算，直至在光刻胶中形成图像。 oM>Z;QVRC:   sG F aL   计算计量学  |'B7v i)   .=s&EEF   ~XOTs   周期大于照明波长一半的结构的光学计量已成为标准计量技术。 但是，快速严格的仿真技术以及设计好的测量装备允许在深亚波长范围内使用光学计量方法 R}!:'^   AJF#Aw `o   波导和光纤 m)'=G%y   Jcrw#l8|C   Y2~nBb   JCMsuite为所有类型的波导（包括单模和多模光纤，光子晶体光纤，微结构光纤，集成光波导，等离子体波导）计算波导模式和相应的传输常数。 圆柱坐标系和扭曲坐标系中的模式计算允许严格计算波导弯曲的影响。 tM'P m   1pgU}sR k   光伏 oYH^_V   uFinv2Z'   {#@W)4)cA   JCMsuite支持各个方面提高光电效率：分析层结构和材料成分的效率、随机和微结构层、背反射器和表面的影响、规则或随机分布的等离子体粒子的等离子体效应以及包括频率转换在内的非线性效应。 nH[yJGZYSA   62ws/8d6f   光源 )QU   <+?7H\b   ]QlwR'&j/n   诸如激光二极管，VCSEL，LED，OLED和单光子光源之类的光源是光学设备的基本组成部分。 JCMsuite可以对其光学特性进行有效的仿真和优化，包括远场分布，光纤耦合效率和热透镜效应。 L?mrbay   lww!-(<ww   纳米结构材料 CDK5   %[ Z \S0C   0tT(W^ho g   JCMsuite允许设计和分析新型纳米结构材料的光学特性。 例如等离子体材料，手性材料，光子晶体和准晶体，超材料，粗糙界面，纳米复合材料等。 h7lDHIQf   l)1r+@)\   应用举例 微结构光源光学特性的仿真和优化 4R1<nZ"e~   微纳光学的光源通常分为两大类：垂直发射器和水平发射器 w"Gm;B4   VJ]JjB j   '! !CeDy   上图所示垂直发射器(黑色盒子)安装在基片上或基片内，通常情况下是多层堆栈。光线在活跃区域(黑色盒子)产生，并且被激发到上半部分空间。除了由阻尼材料引起的内部损失，光能也由于辐射到基片或水平方向的光在基片层中被捕获而损失。建立垂直光光源有以下两种方法： 计算激光谐振腔的共振模式，可详见案例VCSEL。 __G?0*3G    直接将光源(电流密度)放置在活跃层中，可详见案例量子点发射器在这两种情况下，激发光束的质量可以通过远场或傅里叶变换后处理进行分析。 5YeM%%-S   |EX(8y   A>o*t=5   边缘（水平发射器）：在这种情况下，激光谐振腔由一个相对较长的波导组成。光束在波导的端面水平被激发。为了设计一个边缘发射器，计算了激光谐振腔的波导模式，可详见案例大功率二极管激光器 光伏发电的衍射效率分析及结构优化 ) l:[^$=,   薄膜硅太阳能电池依靠散射结构将入射光衍射到更大的角度，从而在高折射率吸收材料中通过全内反射捕获光。它们的优化是当前研究的一个课题。一般来说，即使散射结构在本质上是统计性质的，也可以在JCMsuite软件中通过应用周期边界条件对单元进行建模，也可以对简单、随机纹理薄膜太阳能电池进行几何定义和网格划分，进而对不同层材料的衍射、吸收效率进行分析。 =5~jx      左：几何和图层命名 中间：适应短波长的网格 右图：适应长波长的网格 \/zq7j   su{poQ}K    微纳光子器件的光学特性分析以及器件结构优化衍射光学元件(DOE)通过波长维度上的图案来操纵光通过它传播的相位和振幅。典型的非对称光栅有周期图案(光栅)、菲涅耳透镜、孤立目标图案、二元光栅、光阑等。 A$Hfr8w1u   下图概述了模拟光从DOE散射的典型装置: 原理图:DOE仿真设置 Nfrw0b   $P^q!H4D   通常，DOE驻留在介质衬底上。照明光场(如平面波)从下方或上方照射到DOE。这激发了透射场和反射场，这是我们感兴趣的典型参量。JCMsuite计算近场电磁场，并使用它通过傅里叶变换或远场评估后处理的方式来推导远场(透射和反射)。 v3~?;f,l   对于周期结构，傅里叶变换后处理产生离散衍射模。对于孤立问题，傅里叶变换由连续分布的散射场和由平面波照明产生的最终离散模式组成。结合傅里叶变换，您可以使用光学成像后处理来形成由成像工具(如显微镜)产生的图像。 rWa2pO      非周期结构的近场分布

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《JCMsuite案例解析》 1ySk;;3  
前言 .WA-&b_  
微纳光学是当前光学学科发展最活跃的前沿之一，结合了光子学与纳米技术的前沿成果，主要优点是能在局域电磁相互作用的基础上实现许多全新的功能，成为21世纪不可或缺的关键科学和技术。微纳光学不仅是光学领域的前沿研究方向之一，也是目前新型光电子产业的重要发展方向，在光通信、光互联、光存储、传感成像、传感测量、显示、固体照明、生物医学、安全、绿色能源等领域起到不可替代的作用。在这些广泛的应用领域可以使用JCMsuite进行模拟分析与设计，大大降低时间成本和物料成本。 I9_RlAd  
JCMsuite是基于有限元方法(FEM)的一款纳米光学软件包。使用有限元方法(FEM)计算复杂纳米光学系统中电磁场分布，为解决科学和技术挑战提供了一种通用、严格且非常快速的方法。JCMsuite可以解决时谐麦克斯韦方程组的光散射问题、波导设计问题和光学共振问题，以及线性弹性问题、热传导问题以及这些类型的任何耦合问题。 zPn+V7F  
通过JCMsuite，用户可以定义各种材料特性，例如复杂和各向异性的材料的介电常数和磁导率张量、分散特性、导热率和刚度。软件依赖基于残差的误差估计，自动选择各种数值设置，例如有限元度和PML(完全匹配层)设置。同时也特别关注光学上所有必要的后期处理和有效计算，例如傅立叶变换、远场、能量通量、重叠积分、光学成像、共振扩展和赛尔因子。 gmw|H?]  
本书详细介绍了JCMsuite各个应用领域的实操案例。本书共十一章，分别介绍了不同应用领域的案例介绍，包含激光、掩模、散射测量、椭偏仪、光伏发电、表面等离子体、光纤、光学手性、衍射光学元件以及光子晶体。每个案例都涵盖了建模流程，从材料定义、布局定义、光源定义到项目定义整个过程，旨在帮助JCMsuite初学者通过案例快速学会软件。本书主要参考JCMwave公司发布的案例翻译整理而成。 h-q3U%R4}@  
《JCMsuite案例指导书籍》，是由上海讯技光电工程部成员翻译整理而来，译者希望本书能对JCMsuite的使用者有所帮助，通过学习后能较好的掌握JCMsuite软件的基本使用方法。由于译者水平有限，书中错误纰漏之处，敬请同行读者批评和指正。 v_+{'F  
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