COMSOL光学模型：钙钛矿 金属复合回音壁腔模式体积仿真

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在光学与光子学研究中，回音壁腔模式（Whispering Gallery Mode, WGM）因其具备高品质因子和极小模式体积的特性而受到广泛关注。本文将介绍如何使用COMSOL Multiphysics对钙钛矿与金属复合结构中的WGM模式体积进行仿真分析。 构建模型时，可优先采用二维轴对称几何结构来模拟三维微球系统，从而有效降低计算资源消耗，同时保持物理特征的真实性。假设目标结构为一个钙钛矿微球，其外表面覆盖有一层金属薄膜，该构型有利于调控光学模式特性。 材料参数的设定是仿真的关键步骤之一。钙钛矿部分的光学常数可依据实验测量值或已有文献数据输入；而对于金属层，则推荐采用Drude模型进行近似描述，以准确反映其在可见光或近红外波段的色散行为。

import comsol
model = comsol.Model()
model.create('3D')

为了有效模拟WGM的边界响应，在COMSOL中需合理设置边界条件。通常在微球外围添加“完美匹配层”（PML），用于吸收向外辐射的电磁波，抑制非物理反射，提升仿真精度。

material_perovskite = model.material.create('Perovskite')
material_perovskite.property('refractive_index', 2.5)

material_metal = model.material.create('Metal')
material_metal.property('epsilon_inf', 1)
material_metal.property('omega_p', 1.37e16)
material_metal.property('gamma', 8.5e13)

激发方式方面，选用高斯光束作为入射光源，能够更贴近实际实验中的耦合条件。此过程可通过软件中的“电磁波，频域”物理场接口实现，灵活定义激励源的位置、方向及偏振状态。

pml = model.physics.create('PML')
pml.set('thickness', 1e-6)
pml.set('absorption', 1e6)

完成物理场设置后，进入网格划分阶段。COMSOL内置的自动网格生成机制一般能良好适应此类几何结构。若追求更高求解精度，尤其是在金属-介质界面等场变化剧烈区域，建议局部加密网格以捕捉细微电磁响应。

wave = model.physics.create('ElectromagneticWaves')
wave.set('frequency', 500e12)
wave.set('polarization', 'TE')

求解结束后，利用后处理工具可直观展示WGM下的电场分布情况及其模式体积特征。典型结果中，电场能量主要集中于微球表面附近，呈现出环形局域化分布，体现出WGM典型的场约束能力。

mesh = model.mesh.create()
mesh.set('automatic', True)
model.solve()

通过上述仿真流程，可以清晰揭示钙钛矿/金属复合回音壁腔中光学模式的空间分布规律与增强效应。此类数值模拟不仅有助于深入理解WGM的基本物理机制，也为新型微型化光学谐振器的设计提供了有力支持。

results = model.result()
results.plot('Electric field')

综上所述，COMSOL Multiphysics为复杂光学系统的建模与分析提供了一个高效且灵活的平台。结合合理的结构设计与参数优化，能够深入挖掘钙钛矿基复合腔体在集成光子器件中的应用潜力，推动下一代光电器件的发展。

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关键词：comsol SOL COM Polarization absorption