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JCMsuite应用:太阳能电池的抗反射惠更斯超表面模拟
人们构想大量不同的策略来替代随机纹理,用来改善太阳能电池中的光耦合效率。虽然对纳米光子系统的理解不断深入,但由于缺乏可扩展性,只有少数提出的设计在工业被上接受。在本应用中,一种定制的无序排列的高折射率介质亚微米量级的二氧化钛(TiO2)圆盘作为标准异质结硅太阳能电池的抗反射惠更斯超表面在试验中进行开发。无序阵列使用基于胶体自组装的可伸缩自下而上的技术制造,该技术几乎不考虑设备的材料或表面形态。我们观察到,与采用优化的平坦抗反射ITO层的参考电池相比,反射率的宽频带降低导致短路电流相对改善5.1%。我们讨论了在保持螺旋度的框架下超表面的光学性能,这可以通过调整其尺寸在特定波长下实现对一个孤立圆盘沿对称轴的照明。
本工作中所考虑的太阳能电池结构示意图。Rdiff和Rspec表示漫反射和镜面反射部分。该圆盘是在异质结技术(HJT)后发射极太阳能电池上沉积的,其表面是用非晶硅(aSi)固有层和n 掺杂层钝化的未抛光的平面硅片ITO薄膜既是减反射涂层(ARC),也是正面触点。(左图,中间图)不同放大倍数的太阳能电池顶部圆盘的电子显微图。左边的图突出了单个圆盘的特性,而中间的SEM图突出了样本的一致性。(右图)39 × 39 mm涂层太阳能电池的照片。
通过Born近似计算的圆盘图案的反射率和单个圆盘的有限元模拟(本文讨论的数值模拟是基于有限元方法(FEM)的软件JCMsuite)。测量圆盘涂层样品和调整平板的反射率ARC (50 nm厚度的ITO)的圆盘结构。一个标准的平面ARC参考(80 nm厚度的ITO)作为比较。
(从左往右图片分别为:图一:太阳能电池结构示意图、图二:太阳能电池顶部圆盘的电子显微图,39 × 39 mm涂层太阳能电池的照片
图三:测量圆盘涂层样品和调整平板的反射率ARC)
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OCAD应用:凸轮曲线的优化设计
机械补偿式连续变焦光学系统,通过系统的活动组分相对固定组分沿轴向运动改变各组分之间间隔尺寸,在保证系统像面稳定不变的前提下,连续改变系统焦距。系统中,最后一个固定组前的总组分数称为该连续变焦光学系统的组分数,比如含有一个前固定组、一个变焦组、一个补偿组以及一个固定组的变焦系统被称为三组分变焦系统。为保证各活动组分在变焦过程中按设计要求移动活动组分,保证其表面间隔尺寸,一般都使用凸轮结构驱动各组分的运动,因此,凸轮曲线的设计也必然是光学设计的重要任务。
在进行凸轮曲线设计时,不仅要考虑凸轮转动时确保各活动组分之间准确的间隔尺寸,保证在变焦过程中光学系统像面的稳定,还要考虑到运动曲线的平滑性以及曲线的陡度,避免运动中的卡滞现象,当然还要考虑到凸轮加工的工艺性。
凸轮曲线的优化设计
一般情况下,设计凸轮曲线时会把固定组后的变焦组的运动规律设计成直线,减少加工成本,但这是可能会带来补偿组的运动曲线过于弯曲,运动速率过大,甚至因运动速率过大以致影响凸轮运转过程中发涩甚至卡死。为了避免这一情况的发生,可以有意把变焦组曲线改成曲线缓解补偿组的曲线陡度,以便有效改善凸轮曲线平滑运行。
从凸轮运动曲线及其运动速率可以看出此时在长焦处补偿组运动速率已达72°,不可能平滑运转,此时必重新优化凸轮曲线,确保凸轮顺利运转。在优化时首先返回设计界面初始状态,如图2,选择“曲线运动轨迹”或“复合曲线轨迹”。所谓“曲线运动轨迹”或“复合曲线轨迹”其区别在“曲线运动轨迹”是对变焦组的运动曲线全过程均为一个完整的三次方程式,而 “复合曲线轨迹”则是把变焦组运动轨迹的前半段保持直线运动,只是在指定位置之后才改成曲线运动,这样可以重点改善变焦后半段的曲线运动速率,因为补偿组的运动速率只在后半段才变化激烈。
在选择“曲线运动轨迹”后,界面下方会给出运动曲线方程系数的表格,可以直接填写。如果选择“复合曲线轨迹”,界面上除显示运动曲线方程系数的表格框外,还显示“结合点位置”系数,以便根据需要选择合适直线与曲线结合点的位置,无论选择以上哪种,都还可以利用拉杆条之间控制凸轮运动曲线或运动速率轨迹曲线。也可以先预设初步曲线方程系数,然后通过拉杆条调整。在选择“曲线运动轨迹”后,按“确定”键出现图3界面。
经过以上选择与调整,使得系统凸轮运动曲线及其运动速率曲线最终优化为较满意结果
(图片从左往右分别为:图1.变焦系统凸轮优化设计窗体、图2.凸轮运动曲线及其运动速率、图3.选择“复合曲线轨迹”界面、图4.利用拉杆条调节运动曲线、图5.凸轮曲线优化结果)
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VirtualLab Fusion应用:对光学系统中亚波长结构的严格模拟
在光学设计软件VirtualLab Fusion中实现的建模技术的交互性意味着其用户可以完全灵活地在精度和速度之间找到始终相关的折衷方案。这也适用于模拟光通过亚波长结构传播:可以只为光学系统中表现出亚波长调制的部分选择严格的模型,同时在系统的其他地方选择数值上计算量更小的替代方案,从而在不必要地牺牲速度的情况下达到所需的精度。下面找到两个不同的具有亚波长结构的系统的例子的链接:由不同直径的纳米柱排列构建的超透镜的设计工作流程的示意图,和基于受抑全内反射(FTIR)工作原理的棱镜分束器,其中分束器的两臂之间的能量再分配是通过倏逝波隧穿一层很薄的材料来实现的,该薄层材料把密度较高的介质分成两个棱镜。一种超透镜的设计与分析在此用例中,设计并分析了基于电介质圆柱的聚焦超透镜。所使用的参数来自E. Bayata(2022)发表的一篇文章。立方体光束整形器上的全内反射(FTIR)一种基于受抑全内反射(FTIR)的真实分束器,并研究了间隙厚度对反射和透射效率的影响。
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VirtualLab Fusion应用:光路元件的位置和方向
在这个案例中,我们将演示如何在光路中配置光学元件的位置和方向。我们将通过一个示例来演示。将元件放入光路中元件定位默认情况下,元件的位置由相对位置定义,即由该元件相对于前一个元件的参考坐标系统位置的输入坐标系统位置定义。绝对位置,仅显示z位置,3D视图系统,基本方向,独立方向
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一起分享学习资料
VirtualLab Fusion应用:利用Fabry-Pérot标准具检测钠D线
Fabry-Pérot标准具广泛用于激光谐振腔和光谱仪中进行波长的选择。 通常,由两个高反射(HR)涂层表面组成,其间具有空气或玻璃。 在该示例中,利用VirtualLab Fusion设置了具有二氧化硅间隔标准具的光学测量系统,并测量钠的D线。 利用非序列场追迹技术,充分考虑了标准具中多次反射引起的相干现象,并研究了涂层反射率对条纹对比度的影响。
图片从左往右分别是:图1:Fabry-Péro(法布里珀罗标准结构)、图2:建模任务、图3:所有谱线的可视化、图4,5:锐度与涂层反射率、
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Techwiz OLED:OLED器件的发光效率
OLED器件很大程度上取决于各种材料的特性和堆栈结构的厚度。TechWiz OLED 提供了模式分析、外耦合效率和功耗的结果,考虑了微腔效应、pure-cell效应等。
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EastWave应用:自动计算光子晶体透反率
本案例使用“自动计算透反率模式”研究光子晶体的透反率,将建立简单二维光子晶体结构以说明透反率的计算方法。图中的数据也可以导出保存在 txt 文件中。展开图数据结构“figure”“coord” “datamgr”“r”/“t”右键“保存并导出”,输入文件名“r.txt”/“t.txt”。文件中第一列将保存横轴频点,第二列为纵轴相应的数据。图片分别为模型示意图、预览网格划分效果、实时场、记录到的数据、Y 方向偏振的透反率
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工程师都在看的书
【好书推荐】《VirtualLab Fusion入门与进阶实用教程(第二版)》
目 录
第一章 VirtualLab Fusion理论基础 1
1.1 几何光学和光线追迹 1
1.2 物理光学和光场追迹 1
1.2.1 统一场追迹 3
1.2.2 第二代场追迹 6
第二章 VirtualLab Fusion安装与更新 10
2.1 VirtualLab 版本说明及系统配置要求 10
2.2 VirtualLab安装与更新 11
2.3 安装过程中可能遇到的问题 18
2.4 Windows高级系统设置推荐 22
2.5 C2V文件导出和V2C文件导入 23
第三章 VirtualLab Fusion快速入门 26
3.1 VLF图形用户界面介绍 26
3.2 光源 30
3.2.1 基本参数(Basic Parameters) 31
3.2.2 光谱参数(Spectral Parameters) 33
3.2.3 空间参数(Spatial Parameters) 35
3.2.4 偏振(Polarization) 37
3.2.5 模式选择(Mode Selection) 38
3.2.6 采样(Sampling) 39
3.2.7 光线选择(Ray Selection) 40
3.3 光学元件 41
3.3.1 真实光学元件编辑对话框 41
3.3.2 球透镜(Spherical Lens) 44
3.3.3 衍射光学元件(Diffractive Optical Element) 45
3.3.4 单光学界面(Single Optical Interface) 46
3.3.5 光学界面序列(Optical Interface Sequence) 46
3.3.6 其它类型光学元件 48
3.4 探测器 48
3.4.1 探测器通用界面 48
3.4.2 光路图内的探测器 50
3.4.3 谐波场和谐波场集探测器 52
3.4.4 数值阵列探测器 52
3.5 分析器 53
3.6 计算器 54
3.7 元件的位置和方向 54
3.7.1 光路元件 55
3.7.2 元件位置的定义 55
3.7.3 位置和方向确定规则 56
3.7.4 方向与位置的坐标系统 56
3.7.5 输出通道的方向 57
3.7.6 输出通道的自动方向 57
3.7.7 坐标断点元件 58
3.7.8 位置和方向设置 58
3.7.9 光路视图(定位) 60
3.7.10 角度定义 61
3.7.11 基本位置/方向与独立位置/方向的对比:移动 63
3.7.12 基本位置/方向与独立位置/方向的对比:倾斜 64
3.8 光路图(Light Path Diagram) 64
3.8.1 新建光路图 64
3.8.2 生成光路视图&光路编辑窗口 65
3.8.3 光路视图 66
3.8.4 光路编辑器 67
3.9 三种模拟引擎 70
3.9.1 球透镜聚焦系统 70
3.9.2 三种引擎结果对比 71
3.10 参数运行(Parameter Run) 73
3.10.1 创建参数运行 73
3.10.2 参数指定界面 73
3.10.3 使用模式 74
3.10.4 探测器指定界面 75
3.10.5 结果界面 75
3.10.6 合并输出 76
3.10.7 并行化和数据量 76
3.11 参数优化(Parameter Optimization) 76
3.11.1 创建参数优化 77
3.11.2 参数指定界面 77
3.11.3 探测器指定界面 78
3.11.4 参数约束窗口 78
3.11.5 通用设置窗口 78
3.11.6 结果界面 79
3.12 参数优化和参数运行的应用 79
第四章 光学成像系统 96
4.1 慧差的模拟 96
4.1.1 慧差概念 96
4.1.2 泽尼克多项式与塞德尔像差 96
4.1.3 慧差的模拟 97
4.2 F/4施密特望远镜波动光学分析 100
4.2.1 模拟任务 100
4.2.2 模型构建 100
4.3 双合消色差透镜优化设计 103
4.3.1 模拟任务 104
4.3.2 模型构建 105
4.4 包含光栅元件的成像分析 109
4.4.1 系统描述 109
4.4.2 模型构建 110
4.5 高级PSF和MTF计算 117
4.5.1 模拟任务 118
4.5.2 模型构建 119
4.6 利用衍射透镜校正色差 124
4.6.1 模拟任务 124
4.6.2 模型构建 124
4.7 研究鬼像在准直系统中的影响 131
4.7.1 模拟任务 131
4.7.2 模型构建 132
第五章 激光系统 137
......
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