خروج از فیلم (بخش A): رهگیری پرتو از یک سطح زبر

مثال خروج از فیلم نوری را مدل می‌کند که درون یک فیلم نیمه‌رسانای زبر گسیل می‌شود و محاسبه می‌کند چه مقدار از آن نور از سطح بالایی خارج می‌شود. این موضوع برای بسیاری از سامانه‌ها مانند OLEDها، LEDها و دیگر ساختارهای نورگسیل‌کننده که در آن‌ها outcoupling به‌وسیله بازتاب کلی داخلی و زبری سطح محدود می‌شود، مرتبط است.

گام 1: ایجاد یک شبیه‌سازی جدید رهگیری پرتو

OghmaNano را اجرا کرده و روی New simulation کلیک کنید. پنجره New simulation ظاهر می‌شود، همان‌طور که در ?? نشان داده شده است. روی گزینه Ray tracing که در ?? برجسته شده است، دوبار کلیک کنید.

گام 2: ساختار اولیه را بررسی کنید

پس از باز کردن مثال، پنجره اصلی OghmaNano ساختار دستگاه را همان‌طور که در ?? نشان داده شده است نمایش می‌دهد. صحنه شامل موارد زیر است:

• یک لایه زبر نیمه‌رسانا (قرمز) بر روی
• یک لایه صاف اکسید (خاکستری)، و
• یک شبکه بنفش در بالای دستگاه. این شبکه یک آشکارساز نوری است؛ هر پرتویی که از آن عبور کند در فایل‌های خروجی آشکارساز ثبت می‌شود.

از دکمه چپ ماوس برای چرخش و از چرخ ماوس برای بزرگ‌نمایی/کوچک‌نمایی استفاده کنید تا به نمایی مشابه ?? برسید.

گام 3: منابع نوری جاسازی‌شده را آشکار کنید

به‌صورت پیش‌فرض، نیمه‌رسانا و اکسید به‌صورت اجسام توپر رسم می‌شوند. برای دیدن محل قرارگیری منابع نوری:

1. روی شیء Semiconductor راست‌کلیک کنید.
2. از منوی زمینه، گزینه View → Show solid را انتخاب کرده و تیک آن را بردارید.
3. همین کار را برای شیء Oxide تکرار کنید.

مسیر منو در ?? نشان داده شده است. پس از خاموش کردن هر دو جسم توپر، باید ابری از فلش‌های کوچک را درون فیلم ببینید، همان‌طور که در ?? دیده می‌شود. این فلش‌ها منابع نور رهگیری پرتو هستند.

هر فلش نمایانگر یک گروه از پرتوهاست که از آن نقطه گسیل می‌شوند. با راست‌کلیک روی شیء منبع نور، بعداً می‌توانید تعداد پرتوها، زاویه گسیل، و اندازه XY منبع را تنظیم کنید. در بخش B به این موضوع بازخواهیم گشت.

گام 4: شبیه‌سازی رهگیری پرتو را اجرا کنید

برای اجرای رهگیر پرتو، روی Run simulation (نماد play آبی) کلیک کنید. پس از مدت کوتاهی، پنجره از پرتوها پر می‌شود، همان‌طور که در ?? نشان داده شده است. پرتوها درون نیمه‌رسانای زبر پراکنده می‌شوند و یا به آشکارساز می‌رسند یا در زیرلایه از دست می‌روند.

برای بررسی اینکه مسیر پرتوها چگونه به طول موج وابسته است، به تب Optical بروید. از فهرست کشویی Wavelengths برای انتخاب یک طول موج مشخص استفاده کنید، همان‌طور که در ?? نشان داده شده است. نمای سه‌بعدی به‌روزرسانی می‌شود تا فقط پرتوهای متناظر با طول موج انتخاب‌شده را نمایش دهد.

گام 5: خروجی آشکارساز را مشاهده کنید

پس از پایان شبیه‌سازی، تب Output را باز کنید تا همه فایل‌های تولیدشده توسط رهگیر پرتو را ببینید، همان‌طور که در ?? نشان داده شده است. صفحه آشکارساز در بالای ساختار با شماره 0 مشخص شده است، بنابراین نتایج آن در detector0 ذخیره می‌شود.

برای باز کردن نمایشگر آشکارساز، روی detector0 دوبار کلیک کنید (??). این نمودار نشان می‌دهد چه مقدار نور به‌عنوان تابعی از زاویه، و در صورت شبیه‌سازی چند طول موج، به‌عنوان تابعی از طول موج، از آشکارساز عبور می‌کند.

بازده آشکارساز و تصاویر رندرشده

خروجی آشکارساز که در ?? نشان داده شده است، با دوبار کلیک روی فایل detector_efficiency0.csv در تب Output به‌دست می‌آید. این نمودار کسری از نور تولیدشده در داخل را نشان می‌دهد که به‌عنوان تابعی از طول موج به آشکارساز می‌رسد – که عملاً یک بازده outcoupling است. در این مثال، تقریباً هیچ نوری زیر حدود 600 nm خارج نمی‌شود، در حالی که در طول موج‌های بلندتر بازده outcoupling تا حدود 12% افزایش می‌یابد.

مقداری در حدود 10–15 % برای یک فیلم با ضریب شکست بالا در هوا کاملاً معقول است. برای یک تخمین ساده، یک مرز تخت نیمه‌رسانا / هوا را با ضرایب شکست \(n_{\text{film}}\) و \(n_{\text{air}}\) در نظر بگیرید. بازتاب فرنل در تابش عمودی برابر است با

\( R = \left(\dfrac{n_{\text{film}} - n_{\text{air}}}{n_{\text{film}} + n_{\text{air}}}\right)^2. \)

با در نظر گرفتن یک ضریب شکست معمول برای نیمه‌رسانا یا اکسید، یعنی \(n_{\text{film}} \approx 1.8\) و \(n_{\text{air}} = 1.0\)، به‌دست می‌آوریم \( R \approx 0.08 \) (حدود 8 % بازتاب در تابش عمودی)، بنابراین عبور برابر \(1-R \approx 0.92\) است. با این حال، نوری که درون فیلم تولید می‌شود فقط می‌تواند درون مخروط خروج که توسط زاویه بحرانی تعریف می‌شود خارج شود: \( \theta_c = \arcsin\!\bigl(n_{\text{air}}/n_{\text{film}}\bigr) \approx 34^\circ \). برای گسیل همسانگرد درون فیلم، کسری از توان که درون این مخروط قرار می‌گیرد برابر است با

\( f_{\text{cone}} = 1 - \cos\theta_c \approx 1 - \cos(34^\circ) \approx 0.17. \)

با ضرب کردن عامل عبور و عامل مخروط خروج، یک تخمین تقریبی برای outcoupling به‌دست می‌آید:

\( \eta_{\text{out}} \approx (1-R)\,f_{\text{cone}} \approx 0.92 \times 0.17 \approx 0.16 \; (16\%). \)

وقتی تلفات و پراکندگی‌های اضافی نیز در نظر گرفته شوند، بازده outcoupling در حدود 12 % – همان‌طور که در detector_efficiency0.csv دیده می‌شود – بنابراین برای این نوع ساختار کاملاً معقول است.

اگر روی RAY_image.csv در همان دایرکتوری دوبار کلیک کنید، OghmaNano یک تصویر رندرشده از چیزی که چشم شما هنگام نگاه‌کردن به فیلم می‌بیند باز می‌کند، همان‌طور که در ?? نشان داده شده است. این تصویر با استفاده از فضای رنگ CIE 1931 محاسبه می‌شود: سیگنال آشکارساز وابسته به طول موج با استفاده از توابع استاندارد تطبیق رنگ به مقادیر سه‌محرک CIE XYZ تبدیل می‌شود و سپس به یک تصویر sRGB نگاشت می‌شود که تقریباً ادراک بصری انسان را بازنمایی می‌کند. برای جزئیات بیشتر درباره این مدل رنگ، برای مثال نگاه کنید به فضای رنگ CIE 1931.