綜觀在OpticStudio中光激發光 (Photoluminescence) 的模擬


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摘要:光激發光是一種光子被物質吸收後,被吸收的一部分再以光子的形式重新激發出來的現象。廣泛的來說,光激發光可被分類為兩種形式:磷光 (fluorescence) 以及螢光 (phosphorescence)。不管哪一種都可以在OpticStudio中使用非序列模式中的光激發光體散射模型來模擬。
原文連結:Overview of Photoluminescence Simulation in OpticStudio
原文發布時間:May 04, 2015

介紹
光激發光是一種光子被物質吸收後,被吸收的一部分再以光子的形式重新激發出來的現象。廣泛的來說,光激發光可被分類為兩種形式:磷光 (fluorescence) 以及螢光 (phosphorescence)。不管哪一種都可以在OpticStudio中使用非序列模式中的光激發光體散射模型來模擬。

在OpticStudio中,螢光模型主要是模擬巨觀現象。在這個模型中,軟體並不直接模擬光子在物質中的反應,相對的,軟體以機率的方式模擬光線被吸收、能量降轉以及散射等現象。這些計算需要使用者輸入一組必要的頻譜。當一條光線進入光激發光物質時,系統的演算法總結如下:
1. 基於入射光子的光線路徑長度、波長以及材料的吸收頻譜,以機率方式決定光線是否會被吸收。
2. 如果光線被吸收,再根據材料激發頻譜以機率方式決定是否光激發光的轉換會觸發。
3. 如果激發事件被觸發,再根據材料的輻射頻譜以機率方式決定能量降轉的光子之頻譜,並且同樣以機率方式決定新產生光子的散射方向。這個階段中,光子在4π的立體角空間中各方向的機率都相等。如果沒有激發事件被觸發,則光子會被米式散射,此時散射特性會根據散射粒子的平均粒徑來決定。

因此,欲完整的決定光激發光模型,必須給予系統下列三種頻譜:
a. 吸收頻譜 (Absorption)
b. 輻射頻譜 (Emission)
c. 激發頻譜 (Excitation) 或是量子產率頻譜 (Quantum Yield)

在非序列模式中設定相關參數
在OpticStudio任何一個非序列實體物件 (volume object) 都可以套用光激發光模型。欲設定光激發光散射特性,請到非序列元件編輯器的物件屬性對話框中的 “Volume Physics” ,畫面如下:

OpticStudio中的光激發光 (Photoluminescence) 模型設定

使用者必須選擇吸收、輻射、激發的頻譜,其中激發頻譜可以用量子產率頻譜替代 (Quantum Yield Spectrum) 。此外,使用者還需要指定一些參數,以設定米式散射和光激發光粒子的密度。
重點必須強調是,在模擬中被追跡的光線可以經歷多次的吸收/輻射/散射。每個光源都可以獨立設定要散射一次或是散射多次,設定的位置在 “非序列元件編輯器 > 點擊一下要設定的光源 > 打開物件屬性編輯器 > 選擇Source標籤 > 找到Raytrace的區塊” ,您可以在這裡設定對於體散射,要 “once” 或是 “many”。

第二個必須謹記在心的是,OpticStudio的光激發光模型需要所有光源都使用系統波長 (System Wavelengths) 做為系統光源的色彩設定。只要在系統中有一個光源的色彩設定不是系統波長,所有物質的光激發光散射就會被關閉。

光源設定會影響光激發光模型

這些就是所有在非序列模式中模擬光激發光物質所需要注意的。當然,模擬的結果高度依賴於輸入的材料屬性,因此理所當然的,我們需要輸入量測的頻譜資料來讓這個模型正確運作。

檢視以及編輯頻譜檔案
在Ribbon工具列的Libraries標籤中,有一個按鈕群組叫做 “Phosphors and Fluorescence”。你可以使用這裡列出的功能來檢視或編輯光激發光的頻譜資料。

Ribbon工具列中檢視/編輯光激發光頻譜的按鈕群組

如果你選擇檢視頻譜檔案,可以看到如下的分析視窗:

頻譜檢視器中顯示吸收頻譜範例

檔案格式
吸收頻譜
吸收頻譜表示了特定波長的光子被一個分子所吸收的機率。系統用這個頻譜計算一個係數,這個係數會被應用到光線強度,如果這個係數為0,則光線不會被能量降轉,而只會被散射。吸收頻譜檔案是純文字文件檔,附檔名為.ZAS,儲存在系統中的 “\Documents\Zemax\ Objects\Photoluminescence Files\” 。檔案中資料部分每一行包含兩個雙倍精度浮點數:波長與相對應的機率,這些數據定義了吸收頻譜。頻譜檔案的檔頭部分定義了資料數量、波長單位 (0表示微米、1表示奈米)。吸收頻譜必須包含至少五個波長。
!comment
#_of_points wavelength_unit_flag
wavelength probability

如果光線的波長落在吸收頻譜範圍之外,則光線將不會被吸收,僅會被米氏散射。

輻射頻譜
輻射頻譜代表的是光激發光輻射的強度頻譜。這個頻譜被用來計算機率頻譜,這個機率頻譜決定特定波長光線的輻射機率。任何被能量降轉的光線都會根據這個頻譜隨機分配一個波長。輻射頻譜檔案附檔名為.ZES,儲存在 “\Documents\Zemax\Objects\Photoluminescence Files\” 中,檔案中包含一組網格狀資料,記錄了不同入射波長時,不同的輻射頻譜。
!comment
#_emission_wavelengths #_incident_wavelengths wavelength_unit_flag
incident_wavelength_1 ... incident_wavelength_n
emission_wavelength_1 relative_power ... relative_power
emission_wavelength_2 relative_power ... relative_power

如果入射波長部分定義了五個或更少的資料,則系統將會以線性方式內插中間值。如果多於五個入射的入射波長被定義的話,則系統使用Cubic-spline進行內插。

激發頻譜
激發頻譜是一個表示效率的頻譜,被用來定義在降轉過程中,不同波長相關效率的係數。頻譜檔案附檔名為.ZEX,儲存在系統的 “\Documents\Zemax\ Objects\ Photoluminescence Files\” ,檔案中資料部分每一行包含兩個雙倍精度浮點數:波長與轉換效率:
!comment
#_of_points wavelength_unit_flag
wavelength conversion_efficiency

請注意如果在.ZEX檔中,只有一個效率被定義的話,這個數字將會應用到所有的波長。
所有的效率值都應該是1或小於1。設定一個大於1的效率值會導致系統中的能量不守恆。

量子產率頻譜
量子產率頻譜也是代表降轉過程的效率,但是不考慮降轉對於光線強度的影響。在Zemax OpticStudio中會將降轉的光線強度乘上一個入射光與輻射光波長的比例,這個比例就是所謂的Stokes shift:
輻射光強度 = 入射光強度 * A * Q * (入射光波長 / 輻射光波長)
其中A是吸收係數,Q是量子效率。
頻譜檔案附檔名是.ZQE,儲存在 “\Documents\Zemax\ Objects\ Photoluminescence Files\” ,檔案中資料部分每一行包含兩個雙倍精度浮點數:波長與量子產率:
!comment
#_of_points wavelength_unit_flag
wavelength yield


假設以及慣例
以下是幾個假設以及慣例,建議使用者僅記在心:
Ÿ ● 輻射頻譜必須包含至少五個波長的資料。
Ÿ ● 在這個光激發光模型中,光線的波長只可能會位移到比原本波長更大的波長,不可能會轉換到更小的波長。
Ÿ ● 如果一條光線被吸收,但是他的波長不在激發頻譜的範圍內,則其光通量會被歸零,並且停止追跡。
Ÿ ● 對於激發頻譜,如果只有設定一個入射波長,則這組設定會套用到所有波長的入射光。
Ÿ ● 對於量子產率頻譜,如果只有一個產率數值被列在.ZQE檔案中,則該數值會被應用到所有波長。
Ÿ ● 只有使用系統波長的光源可以與光激發光模型兼容。如果在系統中設定了不使用系統波長的光源,這將會導致所有光源都無法套用光激發光模型。

範例檔案
OpticStudio裡面提供了一個簡單的範例,這個範例使用了三個QMK58K-UN (藍光LED用螢光粉) 頻譜。感謝Phosphor-Technology公司友善提供這些資料 (www.phosphor-technology.com) 。
這個非序列系統共包含了三個物件,一個光源,一個套用光激發光模型的矩形體積物件,以及一個偵測器Color Detector。其中光激發光的設定如文章前面的螢幕截圖。

QMK58F-U2吸收頻譜


QMK58F-U2激發頻譜


QMK58F-U2輻射頻譜

讓我們執行一個5萬條光線的追跡分析,產生如下的光通量vs波長的結果:

光通量vs波長 (50,000條光線)

總結
OpticStudio序列模式中的光激發光模型讓使用者可以模擬螢光以及磷光材料。這個模型主要是模擬巨觀現象,並且需要三組頻譜檔案來設定光激發光材質。光激發光計算模型的設定可以在OpticStudio非序列元件編輯器中快速且簡單的設定。輸入頻譜可以被編輯以及在使用者介面中視覺化顯示,而輸出的結果則可以利用探測器檢視器 (Detector Viewer) 或是其他在非序列模式中的工具來視覺化顯示。

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