Titelaufnahme

Titel
Multiskalen-Simulation und Modellierung von optischen Systemen / Claude Leiner
Verfasser/ VerfasserinLeiner, Claude
Begutachter / BegutachterinHohenester, Ulrich ; Hohenau, Andreas
Erschienen2015
UmfangVII, 139 Bl. : Zsfassung (2 Bl.) ; Ill., graph. Darst.
HochschulschriftGraz, Univ., Diss., 2015
Anmerkung
Zsfassungen in dt. und engl. Sprache
SpracheDeutsch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (GND)Optisches System / Modellierung / Mehrskalenanalyse / Optisches System / Modellierung / Mehrskalenanalyse / Online-Publikation
URNurn:nbn:at:at-ubg:1-80722 Persistent Identifier (URN)
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Multiskalen-Simulation und Modellierung von optischen Systemen [6.63 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Entwicklung von optischen Systemen mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften erfordert das genaue Verständnis und die Simulation der Propagation des Lichts durch die Strukturen der einzelnen Komponenten. Die Strukturgrößen dieser Komponenten können dabei in Größenordnungen liegen, die vom (Sub-) Wellenlängenbereich des verwendeten Lichts bis hin zu makroskopischen Größen reichen. Für die Modellierung von solchen optischen Systemen sind Multiskalen-Simulationen erforderlich. Dabei handelt es sich um Simulationen, die sich aus verschiedenen Simulationsmethoden zusammensetzen, um die Effekte des Lichts, wie z.B. Polarisation, Beugung und Brechung in den verschiedenen Größenordnungen physikalisch richtig berücksichtigen zu können. In Größenordnungen, die viel größer als das der Wellenlänge des verwendeten Lichts sind, werden Simulationsmethoden eingesetzt, die auf dem Prinzip der geometrischen Optik basieren. Für Simulationen von Strukturen, deren Strukturgröße im Wellenlängenbereich des Lichts liegt, werden hingegen Simulationsmethoden benötigt, welche auf dem Prinzip der Wellenoptik basieren. Die Durchführung einer Multiskalensimulation wird demnach nur durch ein geeignetes Interface zwischen Simulationsmethoden der geometrischen Optik und der Wellenoptik ermöglicht. In dieser Dissertation werden zwei verschiedene Ansätze für Multiskalen-Techniken zur Simulation von optischen Bauelementen, welche sowohl diffraktive als auch refraktive optische Komponenten enthalten, vorgestellt und auf ihre Anwendbarkeit untersucht. Der erste Ansatz basiert auf der Erweiterung einer bereits implementierten Schnittstelle zwischen zwei kommerziell erhältlichen Simulationsprogrammen, um das Anwendungsgebiet dieser Schnittstelle zu erweitern. Der zweite Ansatz nutzt das Prinzip des Poynting-Vektors, um eine Schnittstelle zwischen klassischem Ray-Tracing und der Finite-Difference-Time-Domain (FDTD) Methode zu realisieren.

Zusammenfassung (Englisch)

The development of photonic devices with tailor-made optical properties requires the control and the manipulation of light propagation within structures of different length scales, ranging from sub-wavelength to macroscopic dimensions. However, optical simulation at different length scales necessitates the combination of different simulation methods, which have to account properly for various effects such as polarization, interference, or diffraction: At dimensions much larger than the wavelength of light simulation approaches based on the principle of geometrical optics are usually employed, while in the sub-wavelength regime more sophisticated approaches based on the principles of wave optics are needed. Describing light propagation both in the sub-wavelength regime as well as at macroscopic length scales can only be achieved by bridging between these two approaches. Unfortunately, there are no well-defined criteria for a switching from one method to the other, and the development of appropriate selection criteria is a major issue to avoid a summation of errors. Moreover, since the output parameters of one simulation method provide the input parameters for the other one, they have to be chosen carefully to ensure mathematical and physical consistency.In this work two different techniques for a combination of simulation approaches for geometrical optics and wave optics will be discussed and presented. This allows an integrated simulation of optical devices including both refractive and diffractive optical elements at different length scales. One approach is based on a “native” interface between two commercial simulation programs in order to enable the handling of a larger number of applications. The other approach uses the Poynting vector to interface between the classical Ray-tracing (RT) and the Finite-Difference-Time-Domain (FDTD) method for a step by step simulation of suchlike optical devices.