光学多层求解器 #

光学多层（STACK）求解器是用于分析一维多层膜结构光学特性的求解器，通过将多层膜堆叠沿传播方向划分为一系列均匀层，利用传输矩阵法（TMM）计算每层界面和传播的传输矩阵，从而获得整个膜堆的反射率、透射率、场分布等光学响应。

STACK 求解器特别适用于仿真抗反射膜、高反膜、OLED 和薄膜太阳能电池等平面多层器件，相较于三维 FDTD 仿真，STACK 求解器无需网格剖分，采用解析方法无数值离散误差，在保证精度的同时计算速度极快，适合参数扫描与优化迭代。

STACK 求解器设置 #

在 Home 选项卡中选择 STACK 按钮，在复合视图窗口点击任意位置即可创建 STACK 求解器，然后在自动弹出的编辑属性窗口中修改 STACK 求解器的设置，即可完成 STACK 求解器的添加。

STACK 求解器设置页面如下，与其他求解器不同，STACK 求解器没有单独的仿真控制面板，在区域 1~3 设置好仿真参数后，可通过区域 4 预览结构和光源，点击区域 5 的 Run 运行仿真，仿真结果与求解器的计算消息可在区域 6 中进行查看或导出，后续将对每个区域进行详细说明。

层 #

Layers 表格用于定义多层膜堆叠的详细结构，包括每层的厚度、材料和光学属性。

Name	Description
Layer Number	层序号。第一层为入射层，最后一层为出射层。
Thickness (microns)	厚度，单位为微米。对于首末两层，其厚度视为半无限（semi-infinite），厚度值用于设置光源及监视器参考平面的偏移量。
Optical Thickness (FWOT)	光学厚度，基于中心频率（center frequency）计算。
Material	材料。默认为 User Defined，可手动设置折射率；也可从材料库中选择。注意：若选择材料库中的材料，STACK 求解器将使用材料数据库中的插值数据，而非多系数拟合数据。
Refractive Index (Re)	材料折射率的实部。
Refractive Index (Im)	材料折射率的虚部。

光学厚度定义如下：

$$FWOT=\frac{n \times d}{\lambda}$$

其中，$n$ 为材料折射率的实部，$d$ 为层厚度，$\lambda$ 为中心波长。

Layers 表格下方提供以下操作按钮：

Name	Description
Add Layer	在表格中添加新层。
Delete Layer	删除当前选中的层。
Duplicate Layer	复制当前选中的层。
Move Layer Up	将选中的层向上移动。
Move Layer Down	将选中的层向下移动。

STACK 求解器可将 Layers 表格的设置结果可视化，并显示出光源与监视器的位置。需要注意，若光源与监视器位于吸收材料（即折射率虚部不为零）内，其所在位置会影响反射和透射系数。

RT #

计算入射到多层薄膜结构上的平面波的反射率和透射率，具体设置如下。

入射角 #

Name	Description
Min	设置入射角的最小值，单位为度（°）。
Max	设置入射角的最大值，单位为度（°）。
Number of Points	设置角度扫描的点数。若点数为 1，STACK 求解器将使用 Min 值进行计算。

此外，可以通过 Copy values from Field 按钮复制 Field 页面的角度设置。

Field #

计算多层薄膜结构内部的电场和磁场分布，具体设置如下。

入射角 #

Name	Description
Min	设置入射角的最小值，单位为度（°）。
Max	设置入射角的最大值，单位为度（°）。
Number of Points	设置角度扫描的点数。

结果场位置 #

Name	Description
Min	设置输出结果沿光源传播方向（z 方向）的最小值，单位为微米（µm）。
Max	设置输出结果沿光源传播方向（z 方向）的最大值，单位为微米（µm）。

采样 #

Name	Description
Resolution	设置输出结果沿光源传播方向（z 方向）的分辨率，必须 ≥ 2。

此外，可以通过 Copy values from RT 按钮复制 RT 页面的角度设置。

Dipole #

计算各向同性或 z 轴双折射平面多层膜堆叠结构中电偶极子的角辐射亮度、光亮度以及 CIE 1931 色度坐标，具体设置如下。

Name	Description
Layer Number	偶极子所在的层序号。
Position Offset (microns)	偶极子相对所在层底部的位置偏移量，单位为微米（µm）。
Spectrum	偶极子频谱。该频谱被视为功率强度分布，在波长上采用中点法则进行积分。光子概率分布通过对 dipole_spec/f 进行归一化计算得到。矩阵大小为 N_dipoles × length(f)，其中 N_dipoles 为偶极子数量，length(f) 为频率数组长度。
Orientation	偶极子取向。默认为 Random，可选择 Random、Vertical 或 Horizontal。
Exciton Fraction	激子分数。用于描述偶极子辐射中激子复合的占比，默认值为 1，表示每个载流子都产生一个激子。
Singlet Exciton Fraction	单线态激子分数。用于描述单线态激子占总激子的比例，默认值为 0.25，表示每个自旋单线态对应 3 个自旋三重态。
Relative Decay Rate	相对衰减速率。用于设定偶极子的初始衰减速率，默认值为 1，表示每个单线态激子都产生一个光子，且没有非辐射衰减过程的贡献。

表格下方提供以下操作按钮：

Name	Description
Add Dipole	在表格中添加新的偶极子。
Delete Dipole	删除当前选中的偶极子。
Duplicate Dipole	复制当前选中的偶极子。
Move Dipole Up	将选中的偶极子向上移动。
Move Dipole Down	将选中的偶极子向下移动。
Copy values from Purcell	复制 Purcell 页面的偶极子设置。

偶极子选项 #

Name	Description
Angular Resolution	远场发射角的分辨率，用于设置偶极子辐射方向的计算精度。
Direction	远场半空间，默认为 Top，可选择 Top 或 Bottom。

Purcell #

计算各向同性或 z 轴双折射平面多层膜堆叠结构中电偶极子的 Purcell 因子和远场发射功率密度，具体设置如下。

Name	Description
Layer Number	偶极子所在的层序号。
Position Offset (microns)	偶极子相对所在层底部的位置偏移量，单位为微米（µm）。
Orientation	偶极子取向。默认为 Random，可选择 Random、Vertical 或 Horizontal。

表格下方按钮功能与 Dipole 页面一致。

Purcell 选项 #

Name	Description
Angular Resolution	远场发射角的分辨率，用于设置偶极子辐射方向的计算精度。

频率/波长 #

设置求解器计算的频率或波长范围及点数。

Name	Description
Frequency/Wavelength	选择输入参数类型，可选 Frequency 或 Wavelength。
min (THz)	设置最小频率，单位为太赫兹（THz）。
max (THz)	设置最大频率，单位为太赫兹（THz）。
min (microns)	设置最小波长，单位为微米（µm）。
max (microns)	设置最大波长，单位为微米（µm）。
Number of points	设置采样点数。

结果与输出 #

设置完成后，点击页面底部的 Run 按钮进行仿真计算。计算结果可在 Results 表格中查看，Output 区域用于显示 STACK 求解器的计算消息。

用户可以右键单击感兴趣的结果进行查看，也可将其发送到脚本工作空间，或直接查看结果的数据表格。此外，点击 Send all results to script 可将所有结果发送到脚本工作空间；点击 Export to script editor 可将构建该 STACK 仿真的脚本导出到脚本编辑器。