Comsol介质超表面三次谐波非线性模型研究：倍频模型与转换效率计算文献赠予

Comsol介质超表面三次谐波非线性模型包含功率依赖。 且倍频模型以及转换效率计算。打开COMSOL时总会被非线性光学模块的选项搞得头疼今天咱们直接拿介质超表面的三次谐波模型开刀聊聊如何让超薄结构产生高频光波。非线性效应这东西说白了就是光强足够高时材料开始不按套路出牌而超表面结构恰好能把光场压缩到纳米尺度来增强这种效应。先看材料属性设置重点在非线性极化项。在材料属性栏里手动输入三阶非线性极化率χ³的表达式。别直接用默认的常数得考虑功率依赖——也就是说当基频光功率变化时非线性效应会跟着变强变弱。这里可以用参数化表达式chi3 chi3_0 * (1 (P/P0)^2); // P0是参考功率P是局部光强注意这里的P0需要根据具体材料通过实验数据校准找不到数据时可以先设为1e6 W/m²试试水。COMSOL的弱形式方程需要手动耦合基频波和三倍频波记得在波动方程里添加非线性源项// 基频波动方程 emw.Equation epsilon*emw.Esigma*emw.dE_dt - chi3*(emw.E)^3; // 三倍频方程需要单独建立研究步骤模型几何结构方面建议先用二维晶胞做快速验证。划重点当超表面单元尺寸接近基频波长1/5时局域场增强效果最明显。网格划分有个坑——非线性区域需要用比线性模型更细的网格特别是金属-介质交界处至少要设置3层边界层网格。Comsol介质超表面三次谐波非线性模型包含功率依赖。 且倍频模型以及转换效率计算。转换效率计算别直接用内置的功率积分得手动写表达式eff (integrate(real(S3ω)) / integrate(real(Sω))) * 100; // S是坡印廷矢量这里有个骚操作在频域研究中同时勾选基频和三次谐波频率用两个不同的研究步骤分别求解。注意设置非线性求解器的阻尼系数推荐先用0.1的阻尼因子防止发散收敛后再逐步减小到0.01。最后跑参数扫描时发现当输入功率达到临界值后转换效率会突然跃升——这就是典型的非线性阈值效应。不过要注意材料损伤阈值别让模拟功率高到不现实。建议输出场分布时用对数坐标这样更容易观察弱谐波信号的分布特征。