从薄膜中逃逸（A 部分）：粗糙表面的光线追踪

从薄膜中逃逸示例对粗糙半导体薄膜内部发射的光进行建模，并 计算其中有多少光通过顶部表面逃逸。这与许多系统相关，例如 OLED、LED 以及其他发光结构，其中出光受全内反射与 表面粗糙度的限制。

步骤 1：创建新的光线追踪仿真

启动 OghmaNano 并点击 新建仿真。将出现 新建仿真 窗口，如 ?? 所示。 双击 光线追踪 条目，其在 ?? 中被高亮显示。

步骤 2：检查初始结构

打开示例后，OghmaNano 主窗口显示器件结构，如 ?? 所示。场景包含：

• 顶部的粗糙 半导体 层（红色），位于
• 平滑的 氧化物 层（灰色）之上，以及
• 器件上方的紫色网格。该网格是一个 光学探测器；任何穿过它的光线 都会记录到探测器输出文件中。

使用鼠标左键旋转并用滚轮缩放，直到获得如 ?? 所示的视图。

步骤 3：显示嵌入式光源

默认情况下，半导体与氧化物以实体对象绘制。要查看光源的位置：

1. 右键点击 半导体 对象。
2. 在上下文菜单中选择 视图 → 显示实体 并取消勾选。
3. 对 氧化物 对象重复上述操作。

菜单路径如 ?? 所示。一旦 两个实体都被关闭，您应会在薄膜内部看到一团小箭头，如 ?? 所示。这些箭头就是 光线追踪光源。

每个箭头代表从该点发射的一组光线。通过右键点击光源对象，您可以在之后 调整光线数量、发射角以及光源的 XY 尺寸。我们将在 B 部分回到这一点。

步骤 4：运行光线追踪仿真

点击 运行仿真（蓝色播放图标）以启动光线追踪器。短时间后，窗口 将充满光线，如 ?? 所示。 光线在粗糙半导体内部散射，并要么逃逸进入探测器，要么在衬底中损失。

为了观察光线路径如何随波长变化，切换到 光学 选项卡。使用 波长 下拉菜单选择特定波长，如 ?? 所示。3D 视图将更新为 仅显示所选波长的光线。

步骤 5：查看探测器输出

仿真完成后，打开 输出 选项卡以查看光线追踪器生成的所有文件，如 ?? 所示。结构顶部的探测器平面 编号为 0，因此其结果存储在 detector0 中。

双击 detector0 以打开探测器查看器 （??）。该图显示通过角度的函数（以及若仿真了多个波长，则通过 波长的函数）有多少光通过探测器逃逸。

探测器效率与渲染图像

?? 中显示的探测器输出 是通过在 输出 选项卡中双击文件 detector_efficiency0.csv 获得的。该图显示内部产生的光到达 探测器的比例随波长的变化——实际上是一种 出光效率。 在该示例中，约 600 nm 以下几乎没有光逃逸，而在更长波长下 出光效率上升到约 12%。

对于空气中的高折射率薄膜，10–15 % 量级的数值完全合理。 作为一个简单估算，考虑折射率分别为 \(n_{\text{film}}\) 与 \(n_{\text{air}}\) 的平坦半导体/空气界面。正入射的菲涅耳反射率为

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

取典型半导体或氧化物折射率 \(n_{\text{film}} \approx 1.8\)，以及 \(n_{\text{air}} = 1.0\)，得到 \( R \approx 0.08 \)（正入射约 8 % 反射），因此透射率 为 \(1-R \approx 0.92\)。然而，薄膜内部产生的光只能在 由临界角定义的 逃逸锥 内逃逸， 临界角为 \( \theta_c = \arcsin\!\bigl(n_{\text{air}}/n_{\text{film}}\bigr) \approx 34^\circ \)。 对于薄膜内部各向同性发射，落入该锥内的功率比例为

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

将透射与逃逸锥因子相乘，可得到一个粗略的出光估计

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

当考虑额外损耗与散射后，约 12 % 的出光效率——如 detector_efficiency0.csv 所示——因此对这种结构而言是相当合理的 数值。

如果您在同一目录中双击 RAY_image.csv，OghmaNano 将打开一幅 渲染图像，显示从薄膜观察时人眼所见的效果，如 ?? 所示。 该图像使用 1931 CIE 色彩空间计算：将随波长变化的探测器信号 通过标准颜色匹配函数转换为 CIE XYZ 三刺激值，并 映射为近似人类视觉感知的 sRGB 图像。有关 此颜色模型的更多细节，例如可参见 CIE 1931 色彩空间。