Sources de lumière optique et spectres d’illumination.
1. Introduction
Dans OghmaNano, des sources lumineuses sont utilisées pour définir les spectres d’illumination qui sont pris en compte dans une simulation optique. Toute puissance optique incidente, qu’elle provienne de la lumière du soleil, d’un laser, d’une lampe ou d’un spectre défini par l’utilisateur, est introduite dans la simulation par le biais d’une source lumineuse. Par exemple, un spectre solaire standard AM1.5G, un laser monochromatique ou un spectre expérimental mesuré peuvent tous être représentés à l’aide de l’éditeur de sources lumineuses.
Le système de source lumineuse est partagé par tous les solveurs optiques dans OghmaNano, ce qui permet de définir de manière cohérente les conditions d’éclairage, quelle que soit la méthode de simulation utilisée. Par conséquent, les mêmes définitions de source lumineuse peuvent être appliquées à simulations par la méthode de la matrice de transfert, simulations dans le domaine temporel par la méthode des différences finieset simulations de lancer de rayonsCela permet de comparer directement différents modèles optiques dans des conditions d’éclairage identiques.
Cette page explique comment créer, combiner et configurer des sources de lumière, appliquer des filtres optiques et contrôler la direction et l’origine spatiale de l’éclairage dans OghmaNano.
2. Ouvrir l’éditeur de sources lumineuses.
L’éditeur de sources lumineuses est accessible depuis le Optique ruban dans la fenêtre principale (voir) Figure ??). Une fois ouvert, on dirait que... ??Une source lumineuse dans OghmaNano est définie par son spectre d’émission. Par exemple, vous pouvez configurer une source pour qu’elle émette le spectre standard AM1.5G. Plusieurs spectres peuvent ensuite être combinés dans le Source de lumière onglet. Cela permet de superposer différents spectres, comme l’illumination AM1.5G et l’émission d’un tube fluorescent. L’intensité relative de chaque source est définie à l’aide de multiplicateur colonne, qui ajuste l’importance de chaque spectre.
Les filtres optiques, que l’on gère dans l’onglet « Filtres » (??), sont appliqués au spectre combiné plutôt qu’aux sources lumineuses individuelles. Les filtres représentent des matériaux qui absorbent ou bloquent certaines plages de longueurs d’onde, par exemple, en simulant une épaisse couche de verre qui bloque la lumière du soleil pour les longueurs d’onde inférieures à 300 nm. On peut les activer ou les désactiver à l’aide de l’interrupteur « Activer », sélectionner leur matériau et spécifier l’intensité d’atténuation en dB.
3. Orientation de la source lumineuse
Dans OghmaNano, chaque source lumineuse peut être configurée pour éclairer la simulation à partir d’une direction spécifique ou à partir d’une position arbitraire dans l’espace tridimensionnel. Les directions de source disponibles sont : le haut (y0), le bas (y1), la gauche (x0), la droite (x1), l’avant (z0), l’arrière (z1) et une position xyz arbitraire. Des exemples de configurations de sources sont présentés dans les figures ??, ??, ?? et ??.
L’orientation de la source lumineuse sélectionnée est automatiquement transmise au module de résolution optique utilisé. OghmaNano utilise un modèle commun de source lumineuse dans l’ensemble de ses applications. méthode de la matrice de transfert, FDTDet ray tracing résolveurs, ce qui permet de réutiliser les mêmes conditions d’éclairage dans différentes techniques de simulation optique.
- Haut (y0) : la lumière pénètre par la limite supérieure du domaine de simulation. Il s’agit de la configuration la plus courante pour les simulations de cellules solaires et elle est fréquemment utilisée avec la méthode de la matrice de transfert. Un exemple est présenté dans ??.
- Partie inférieure (y1) : la lumière pénètre par la limite inférieure du domaine de simulation. Cette configuration est couramment utilisée pour modéliser l’éclairage à travers un substrat ou pour simuler des dispositifs bifaces. Un exemple est présenté dans ??.
- Gauche (x0) et droite (x1) : la lumière entre par les limites gauche ou droite du domaine de simulation. Ces types de sources sont utiles pour modéliser les structures de guides d’ondes, les réseaux de diffraction, les dispositifs à couplage périphérique et les géométries d’éclairage latéral. Un exemple d’éclairage latéral est présenté dans ??.
- Avant (z0) et arrière (z1) : la lumière pénètre par les limites avant ou arrière (z) du domaine de simulation. Ces options sont principalement utilisées dans les simulations optiques tridimensionnelles où un éclairage le long de l’axe z est nécessaire.
- Position XYZ : la source lumineuse est placée à un endroit quelconque de l’espace de simulation tridimensionnel. Ce mode est généralement préféré pour les simulations FDTD et de lancer de rayons, car il permet de contrôler entièrement la position de la source et la géométrie de l’éclairage. Un exemple est présenté dans ??.
Les types de sources disponibles dépendent du solveur optique utilisé. Pour les simulations par matrice de transfert, l’éclairage est appliqué par l’intermédiaire d’une des limites de simulation (x0, x1, y0, y1, z0 ou z1). Les sources xyz arbitraires ne sont pas prises en charge, car la méthode de la matrice de transfert exige des conditions aux limites bien définies et une direction de propagation connue. En revanche, les simulations FDTD et de lancer de rayons prennent en charge les sources de lumière xyz arbitraires, et ce sont généralement les types de sources privilégiés pour les systèmes optiques tridimensionnels complexes.
Plusieurs sources de lumière peuvent être combinées au sein d’une seule simulation. Par exemple, un dispositif peut être éclairé simultanément par le haut (y0) et par le bas (y1) afin de simuler le fonctionnement d’une cellule solaire bifaciale. De même, des sources provenant de différentes directions peuvent être combinées pour représenter un éclairage diffus, plusieurs lampes, la lumière réfléchie ou des configurations expérimentales complexes.
4. Configuration des sources lumineuses XYZ.
Lorsqu’un éclairage est appliqué à l’une des limites de la simulation (x0, x1, y0, y1, z0 ou z1), OghmaNano suppose qu’il s’agit d’une source d’onde plane uniforme se propageant perpendiculairement à la limite sélectionnée. Pour de nombreuses simulations optiques, cela suffit. Cependant, les systèmes optiques plus complexes nécessitent souvent qu’une source soit positionnée à un endroit précis dans le domaine de simulation. Cela est réalisé en utilisant une source de lumière xyz.
Une source lumineuse de type xyz est traitée comme un objet OghmaNano standard et partage donc les mêmes commandes de positionnement et de géométrie que celles utilisées dans l’ensemble de l’environnement de simulation optique. Ces paramètres sont accessibles dans l’onglet « Objet » de l’éditeur de source lumineuse, comme illustré dans ??. Le même dialogue peut également être ouvert directement à partir de la fenêtre de simulation 3D en faisant un clic droit sur la source lumineuse et en sélectionnant « Modifier l’objet ».
Les paramètres de l’objet définissent la position, la taille et l’orientation de la surface émettrice. Les valeurs de décalage spécifient les coordonnées x, y et z de la source, tandis que les paramètres de taille xyz définissent ses dimensions physiques. En pratique, une source de lumière xyz est représentée comme un plan émetteur doté de dimensions finies en x et y et d’une épaisseur négligeable en z. Cela permet de modéliser des sources d’éclairage carrées ou rectangulaires situées n’importe où dans le domaine de simulation. Des paramètres de rotation peuvent être utilisés pour orienter le plan émetteur par rapport au système optique environnant.
Les caractéristiques d’émission optique de la source sont configurées séparément à l’aide de l’onglet « Configuration » présenté dans ??. Ici, les angles θ et φ définissent la direction de propagation, tandis que les paramètres associés (Δθ, Δφ et le nombre d’étapes) permettent d’émettre de la lumière sur une plage d’angles. Dans les simulations de lancer de rayons, cela peut être utilisé pour générer des cônes, des faisceaux ou d’autres distributions angulaires de rayons à partir d’une seule source.
Le paramètre de forme du faisceau contrôle la distribution spatiale des rayons sur le plan d’émission. Les paramètres « Nombre de faisceaux en x » et « Nombre de faisceaux en y » déterminent la densité de l’échantillonnage de la source. Dans l’exemple présenté dans ??, une grille de faisceaux de 50 × 50 lance 2 500 rayons à partir du plan source. L’augmentation de la densité des faisceaux améliore généralement la précision de l’échantillonnage, mais au prix d’un temps de calcul supplémentaire.
La combinaison d’un positionnement arbitraire, de la géométrie de la source et du contrôle angulaire rend les sources de lumière xyz particulièrement utiles dans les simulations de lancer de rayons et de FDTD. Les applications typiques comprennent la modélisation de lasers, de LED, de fibres optiques, de guides d’ondes, de systèmes d’imagerie et d’autres assemblages optiques, où la position et le schéma d’émission de la source sont des éléments importants de la conception globale.
5. Sources lumineuses pour la méthode FDTD.
Contrairement aux paramètres de la source lumineuse optique décrits dans les sections précédentes, les simulations FDTD nécessitent des paramètres de source supplémentaires qui contrôlent la manière dont les champs électromagnétiques sont introduits dans le domaine de simulation. Ces paramètres sont accessibles dans l’onglet FDTD dédié, que l’on peut consulter dans ??.
Les sources lumineuses FDTD présentent un certain nombre de caractéristiques qui ne sont généralement pas requises par les simulations utilisant la méthode de la matrice de transfert ou le tracé de rayons. Par exemple, il est nécessaire de spécifier la méthode d’injection de la source, le type de forme d’onde, l’amplitude, la phase, la synchronisation et la polarisation du champ. Ces paramètres déterminent la manière dont la source interagit avec la grille FDTD et dont l’énergie électromagnétique est introduite dans la simulation.
Étant donné que ces paramètres sont propres à la méthode des différences finies dans le domaine temporel, ils sont ignorés lors de l’exécution de simulations optiques utilisant la méthode de la matrice de transfert, le tracé de rayons ou d’autres méthodes. L’onglet n’est utilisé que lorsqu’une simulation FDTD est en cours.
Une description détaillée de chaque paramètre de la source FDTD est fournie dans la documentation spécifique à la source lumineuse FDTD. Pour une discussion complète des méthodes d’injection de la source, des formes d’onde, des contrôles de synchronisation et des paramètres de polarisation, veuillez consulter : Sources lumineuses FDTD.
6. Facteur lié à la topographie locale.
Le facteur de visibilité du sol environnant indique quelle proportion de la surface du sol environnant est visible à partir d’un point donné sur l’appareil. Il est pertinent lorsqu’on effectue des simulations optiques qui prennent en compte la lumière réfléchie ou diffusée par le plan du sol. En d’autres termes, il tient compte de la fraction du champ de rayonnement diffus qui provient du sol situé sous l’appareil.
Le facteur est défini comme suit :
\[ F_{\text{ground}} = \sin^2\!\left(\frac{\theta_t}{2}\right) = \frac{1 - \cos(\theta_t)}{2}, \]
où \(\theta_t\) représente l’angle d’inclinaison de l’appareil par rapport au plan horizontal. Un appareil horizontal (\(\theta_t = 0\)) ne perçoit pas le sol, ce qui donne \(F_{\text{ground}} = 0\). Un appareil vertical (\(\theta_t = 90^\circ\)) a un facteur de visibilité du sol de 0,5, car la moitié de son environnement diffus est constituée du sol et l’autre moitié du ciel.
Ce paramètre peut être défini dans l’onglet « Configuration ». Il est généralement utilisé dans les cas où la lumière réfléchie par le sol (albédo) contribue de manière significative à l’éclairage, par exemple dans les simulations de cellules solaires en extérieur, les systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments ou les dispositifs exposés à des surfaces très réfléchissantes, comme la neige ou les toits blancs.
7. Conclusion
OghmaNano propose une plateforme unifiée pour la gestion des sources lumineuses, applicable aux simulations basées sur la matrice de transfert, le lancer de rayons et la méthode FDTD. Les sources lumineuses peuvent être utilisées pour définir des spectres d’éclairage arbitraires, combiner plusieurs sources optiques, appliquer des filtres optiques et contrôler la position, l’orientation et la distribution angulaire de la lumière incidente. Cette plateforme commune permet de réutiliser les mêmes conditions d’éclairage dans différents solveurs optiques, ce qui simplifie la création et la comparaison des simulations optiques.
Pour obtenir des informations spécifiques sur les différents solveurs, consultez la documentation relative aux simulations utilisant la méthode de la matrice de transfert, le lancer de rayons et la méthode FDTD.