Optische Lichtquellen und Emissionsspektren

1. Einleitung

In OghmaNano werden Lichtquellen verwendet, um die Beleuchtungsspektren zu definieren, die in eine optische Simulation einfließen. Jegliche einfallende optische Leistung, sei es von Sonnenlicht, einem Laser, einer Lampe oder einem vom Benutzer definierten Spektrum, wird über eine Lichtquelle in die Simulation eingebracht. Beispielsweise können ein Standard-AM1.5G-Solarspektrum, ein monochromatischer Laser oder ein gemessenes, experimentelles Spektrum mithilfe des Lichtquellen-Editors dargestellt werden.

Das Lichtquellen-System wird von allen optischen Simulationsprogrammen in OghmaNano gemeinsam genutzt, was eine einheitliche Möglichkeit bietet, die Beleuchtungsbedingungen zu definieren, unabhängig von der verwendeten Simulationsmethode. Dementsprechend können dieselben Lichtquellen-Definitionen für Transfermatrix-Simulationen, Finite-Differenzen-Zeitbereichs-Simulationen (FDTD) und Raytracing-Simulationen verwendet werden. Dies gewährleistet, dass verschiedene optische Modelle unter identischen Beleuchtungsbedingungen direkt miteinander verglichen werden können.

Auf dieser Seite wird erläutert, wie Sie Lichtquellen erstellen, kombinieren und konfigurieren, optische Filter anwenden und die Richtung und den räumlichen Ursprung der Beleuchtung innerhalb von OghmaNano steuern können.

2. Öffnen des Editors für Lichtquellen

Der Editor für Lichtquellen wird über die Registerkarte „Optik“ im Hauptfenster aufgerufen (siehe Abbildung ??). Nach dem Öffnen sieht er wie in ?? aus. Eine Lichtquelle in OghmaNano wird durch ihr Emissionsspektrum definiert. Sie können beispielsweise eine Quelle so konfigurieren, dass sie das Standard-AM1.5G-Spektrum emittiert. Mehrere Spektren können dann in der Registerkarte „Lichtquelle“ kombiniert werden. Dadurch ist es möglich, verschiedene Spektren übereinander zu legen, beispielsweise die AM1.5G-Beleuchtung zusammen mit der Emission einer Leuchtstoffröhre. Die relative Intensität jeder Quelle wird mithilfe der Spalte „Multiplikator“ eingestellt, die den Beitrag jedes Spektrums skaliert.

Optische Filter, die im Reiter „Filter“ (??) verwaltet werden, werden auf das kombinierte Spektrum angewendet, nicht auf einzelne Lichtquellen. Filter stellen Materialien dar, die bestimmte Wellenlängenbereiche absorbieren oder blockieren – beispielsweise wird eine dicke Glasschicht simuliert, die Sonnenlicht unter 300 nm blockiert. Sie können mithilfe des Aktivierungsschalters aktiviert oder deaktiviert, das Material ausgewählt und die Dämpfungsstärke in dB angegeben werden.

3. Ausrichtung der Lichtquelle

In OghmaNano kann jede Lichtquelle so konfiguriert werden, dass sie die Simulation aus einer bestimmten Richtung oder von einer beliebigen Position im dreidimensionalen Raum aus beleuchtet. Die verfügbaren Lichtquellenrichtungen sind: oben (y0), unten (y1), links (x0), rechts (x1), vorne (z0), hinten (z1) sowie eine beliebige xyz-Position. Beispielhafte Lichtquellenkonfigurationen sind in den Abbildungen ??, ??, ?? und ?? dargestellt.

Die ausgewählte Ausrichtung der Lichtquelle wird automatisch an den verwendeten optischen Solver weitergeleitet. OghmaNano verwendet ein einheitliches Lichtquellen-Framework für die Solver Transfermatrix-Methode, FDTD und Raytracing, wodurch die gleichen Beleuchtungsbedingungen in verschiedenen optischen Simulationstechniken wiederverwendet werden können.

• Oben (y0): Licht tritt durch die obere Begrenzung des Simulationsbereichs ein. Dies ist die gebräuchlichste Konfiguration für Simulationen von Solarzellen und wird häufig in Verbindung mit der Transfermatrixmethode verwendet. Ein Beispiel ist in ?? dargestellt.
• Unterseite (y1): Licht tritt durch die untere Begrenzung des Simulationsbereichs ein. Diese Konfiguration wird häufig verwendet, wenn die Beleuchtung durch ein Substrat modelliert oder bifaziale Bauelemente simuliert werden. Ein Beispiel ist in ?? dargestellt.
• Links (x0) und Rechts (x1): Licht tritt durch die linke oder rechte Begrenzung des Simulationsbereichs ein. Diese Quellentypen sind nützlich bei der Modellierung von Wellenleiterstrukturen, Beugungsgittern, randgekoppelten Bauelementen und seitlicher Beleuchtungsgeometrien. Ein Beispiel für eine seitliche Beleuchtung ist in ?? dargestellt.
• Vorderseite (z0) und Rückseite (z1): Licht tritt durch die vordere oder hintere z-Grenze des Simulationsbereichs ein. Diese Optionen werden hauptsächlich in dreidimensionalen optischen Simulationen verwendet, bei denen eine Beleuchtung entlang der z-Achse erforderlich ist.
• XYZ-Position: Die Lichtquelle wird an einer beliebigen Stelle innerhalb des dreidimensionalen Simulationsraums platziert. Dieser Modus wird im Allgemeinen für FDTD- und Raytracing-Simulationen bevorzugt, da er eine vollständige Kontrolle über die Position der Quelle und die Geometrie der Beleuchtung ermöglicht. Ein Beispiel ist in ?? dargestellt.

Die verfügbaren Quellentypen hängen von der verwendeten optischen Simulationsmethode ab. Bei Simulationen mit der Transfermatrixmethode wird die Beleuchtung über eine der Simulationsgrenzen (x0, x1, y0, y1, z0 oder z1) eingekoppelt. Beliebige xyz-Quellen werden nicht unterstützt, da die Transfermatrixmethode klar definierte Randbedingungen und eine bekannte Ausbreitungsrichtung erfordert. Im Gegensatz dazu unterstützen sowohl FDTD- als auch Raytracing-Simulationen beliebige xyz-Lichtquellen, und diese sind im Allgemeinen der bevorzugte Quellentyp für komplexe dreidimensionale optische Systeme.

Innerhalb einer einzelnen Simulation können mehrere Lichtquellen kombiniert werden. So kann beispielsweise ein Gerät gleichzeitig von oben (y0) und unten (y1) beleuchtet werden, um den Betrieb von bifazialen Solarzellen zu simulieren. In ähnlicher Weise können Lichtquellen, die aus verschiedenen Richtungen einfallen, kombiniert werden, um diffuse Beleuchtung, mehrere Lampen, reflektiertes Licht oder komplexe experimentelle Geometrien darzustellen.

4. Konfigurieren der XYZ-Lichtquellen

Wenn eine Beleuchtung durch eine der Simulationsgrenzen (x0, x1, y0, y1, z0 oder z1) eingestrahlt wird, geht OghmaNano davon aus, dass eine gleichmäßige, planare Wellenquelle vorliegt, die senkrecht zur ausgewählten Grenze abstrahlt. Für viele optische Simulationen ist dies ausreichend. Komplexere optische Systeme erfordern jedoch oft, dass die Quelle an einer bestimmten Position innerhalb des Simulationsbereichs platziert wird. Dies wird durch die Verwendung einer xyz-Lichtquelle erreicht.

Eine xyz-Lichtquelle wird wie ein Standard-OghmaNano-Objekt behandelt und verwendet daher dieselben Positions- und Geometrie-Steuerelemente, die in der gesamten optischen Simulationsumgebung eingesetzt werden. Diese Parameter sind im Reiter „Objekt“ des Lichtquellen-Editors verfügbar, wie in ?? dargestellt. Dasselbe Dialogfenster kann auch direkt aus dem 3D-Simulationsfenster geöffnet werden, indem man mit der rechten Maustaste auf die Lichtquelle klickt und „Objekt bearbeiten“ auswählt.

Die Objektparameter definieren die Position, Größe und Ausrichtung der emittierenden Oberfläche. Die Offset-Werte geben die x-, y- und z-Koordinaten der Quelle an, während die xyz-Größenparameter ihre physischen Abmessungen definieren. In der Praxis wird eine xyz-Lichtquelle als eine emittierende Ebene mit endlichen Abmessungen in x und y und vernachlässigbarer Dicke in z dargestellt. Dadurch ist es möglich, quadratische oder rechteckige Lichtquellen zu modellieren, die sich an beliebiger Stelle innerhalb des Simulationsbereichs befinden. Rotationsparameter können verwendet werden, um die emittierende Ebene relativ zum umgebenden optischen System auszurichten.

Die optischen Emissionseigenschaften der Quelle werden separat über den in ?? gezeigten Konfigurationsbereich eingestellt. Hier definieren die Winkel θ und φ die Ausbreitungsrichtung, während die zugehörigen Parameter für die Bereichsübertastung (Δθ, Δφ und die Anzahl der Schritte) es ermöglichen, Licht über einen bestimmten Winkelbereich zu emittieren. In Strahlverfolgungs-Simulationen kann dies verwendet werden, um Kegel, Fächer oder andere Winkelverteilungen von Strahlen von einer einzelnen Quelle zu erzeugen.

Der Parameter „Strahlform“ steuert die räumliche Verteilung der Strahlen über die Emissionsfläche. Die Einstellungen „Anzahl der Strahlen in x-Richtung“ und „Anzahl der Strahlen in y-Richtung“ bestimmen, wie dicht die Quelle abgetastet wird. In dem in ?? gezeigten Beispiel erzeugt ein Strahlengitter von 50 × 50 Strahlen 2500 Strahlen, die von der Quellfläche ausgehen. Eine Erhöhung der Strahldichte verbessert im Allgemeinen die Genauigkeit der Abtastung, allerdings auf Kosten einer längeren Rechenzeit.

Die Kombination aus freier Positionierung, Quellgeometrie und Winkelsteuerung macht xyz-Lichtquellen besonders nützlich bei Raytracing- und FDTD-Simulationen. Typische Anwendungsbereiche sind die Modellierung von Lasern, LEDs, optischen Fasern, Lichtleitern, Bildgebungssystemen und anderen optischen Baugruppen, bei denen sowohl die Position als auch das Emissionsmuster der Quelle wichtige Bestandteile des Gesamtentwurfs sind.

5. Lichtquellen in der FDTD-Methode

Im Gegensatz zu den in den vorherigen Abschnitten beschriebenen Einstellungen für die optische Lichtquelle erfordern FDTD-Simulationen zusätzliche Quellparameter, die steuern, wie elektromagnetische Felder in den Simulationsbereich eingespeist werden. Diese Einstellungen sind im speziellen FDTD-Reiter verfügbar, der in ?? dargestellt ist.

FDTD-Lichtquellen weisen eine Reihe von Eigenschaften auf, die bei Transfermatrix- oder Raytracing-Simulationen in der Regel nicht erforderlich sind. So muss beispielsweise die Art der Anregung, die Wellenform, die Amplitude, die Phase, die Zeitsteuerung und die Feldpolarisation der Quelle angegeben werden. Diese Parameter bestimmen, wie die Quelle mit dem FDTD-Gitter interagiert und wie elektromagnetische Energie in die Simulation eingebracht wird.

Da diese Einstellungen spezifisch für die Finite-Differenzen-Zeitbereichsmethode sind, werden sie bei der Durchführung von Transfermatrix-, Strahlenverfolgungs- oder anderen optischen Simulationen ignoriert. Die Registerkarte wird nur dann verwendet, wenn eine FDTD-Simulation durchgeführt wird.

Eine detaillierte Beschreibung jedes FDTD-Quellenparameters finden Sie in der entsprechenden Dokumentation zu den FDTD-Lichtquellen. Eine umfassende Erläuterung der Quelleneinspeisungsmethoden, der Wellenformen, der Zeitsteuerungen und der Polarisationseinstellungen finden Sie unter FDTD-Lichtquellen.

6. Faktor für die lokale Bodenbeschaffenheit

Der lokale Sichtbarkeitsfaktor für die Umgebung beschreibt, welcher Anteil der umgebenden Bodenfläche von einem bestimmten Punkt auf dem Gerät aus sichtbar ist. Er ist relevant, wenn optische Simulationen betrachtet werden, die reflektiertes oder gestreutes Licht von der Bodenebene berücksichtigen. Anders ausgedrückt, er gibt den Anteil des diffusen Strahlungsfeldes an, der vom Boden unterhalb des Geräts ausgeht.

Der Faktor ist definiert als:

\[ F_{\text{ground}} = \sin^2\!\left(\frac{\theta_t}{2}\right) = \frac{1 - \cos(\theta_t)}{2}, \]

wobei \(\theta_t\) der Neigungswinkel des Geräts in Bezug auf die horizontale Ebene ist. Ein horizontal ausgerichtetes Gerät (\(\theta_t = 0\)) hat keine Sicht auf den Boden, was \(F_{\text{ground}} = 0\) zur Folge hat. Ein vertikal ausgerichtetes Gerät (\(\theta_t = 90^\circ\)) hat einen Sichtbarkeitsfaktor für den Boden von 0,5, da die Hälfte seiner diffusen Umgebung aus dem Boden und die andere Hälfte aus dem Himmel besteht.

Dieser Parameter kann im Reiter „Konfigurieren“ eingestellt werden. Er wird typischerweise in Fällen verwendet, in denen vom Boden reflektiertes Licht (Albedo) einen nicht unerheblichen Beitrag zur Beleuchtung leistet – beispielsweise bei Simulationen von Solarmodulen im Freien, bei in Gebäude integrierten Photovoltaikanlagen oder bei Geräten, die stark reflektierenden Oberflächen wie Schnee oder weißen Dächern ausgesetzt sind.

7. Fazit

OghmaNano bietet eine einheitliche Plattform für Lichtquellen, die in verschiedenen Simulationsmethoden wie der Transfermatrixmethode, der Raytracing-Methode und der FDTD-Methode verwendet werden kann. Mithilfe dieser Plattform lassen sich beliebige Beleuchtungsspektren definieren, mehrere optische Quellen kombinieren, optische Filter anwenden sowie die Position, Ausrichtung und die Winkelverteilung des einfallenden Lichts steuern. Dieses einheitliche System ermöglicht die Wiederverwendung derselben Beleuchtungsbedingungen in verschiedenen optischen Simulationsprogrammen, was die Erstellung und den Vergleich optischer Simulationen vereinfacht.

Detaillierte Informationen zu den jeweiligen Solvern finden Sie in der Dokumentation für Transfermatrix-, Raytracing- und FDTD-Simulationen.