磷光和荧光（Phosphors & Fluorescence）

仅Ansys Zemax OpticStudio的旗舰版和企业版提供该功能。

光致发光是某些光学活性分子在较长波长下光吸收、向下转换和再发射的现象。此功能通过使用吸收、发射和量子效率光谱数据来模拟此现象，这些数据以文本文件的形式提供。光致发光模型可以选择性地结合Mie体散射模型使用来对散射材料内含的光致发光材料进行建模。



要在非序列模式下将光致发光模型应用到物体，请打开"物体属性窗口>体散射选项卡"，选择磷光和荧光选项。有两种光致发光模型：基本与标准。这两种方法都在下面进行了表述，但是在多数情况下都建议使用标准模型；基本模型只支持向后兼容。下面讨论中描述了标准模型。基本模型的描述也可以在下方题为"基本模型"的小节中找到。

标准模型

这些设置被分为两个部分，分别控制光致发光和实体中的Mie散射行为。

光致发光数据

吸收光谱、发射光谱和量子效率光谱（Absorption Spectrum, Emission Spectrum, and Quantum Yield Spectrum）：参见"光谱文件"中的小节。

消光系数（Extinction Coefficient）：指定消光波长下的消光系数。作为一个比例因子，将任意单位的吸收光谱转化为与波长相关的消光系数。单位是Molar-1cm-1 （L*mol-1*cm-1）。

消光波长（Extinction Wavelength）：用户指定的消光系数的消光波长。这个波长必须介于吸收光谱中定义的最小波长和最大波长之间。单位是微米。

密度（Density）：光致发光粒子的密度，以cm-3为单位。粒子类型（染料分子、量子点等）应与消光系数中用于定义摩尔的类型相同。

消光波长处的平均自由程（Mean Free Path at Extinction Wavelength）：在用户指定的消光波长上，根据输入参数值和吸收光谱计算的光致发光平均自由程，以镜头单位（lens units）表示。

与波长有关的光致发光平均自由程是由消光系数决定的，反过来，消光系数则依赖于吸收光谱，.以任意波长计算的消光系数为：

其中，为消光波长。平均自由程，，对任意波长入射光的平均自由程由以下公式计算：

其中为消光系数，c为荧光物质的摩尔浓度（mol/L），由用户提供的密度转换而来。

光谱文件

光谱文件必须同时在吸收光谱和发射光谱的下拉菜单中设置。此外，还必须为量子效率光谱设置光谱文件。

吸收光谱

吸收光谱表示 一个光子被吸收的概率。与输入和透射强度有光：

吸收光谱在.ZAS文本文件中定义，该文件存储在 <..\Documents\Zemax\ Objects\Phosphors and Fluorescence Files>中。此文件包含用于定义吸收光谱的双精度浮点波长和概率值。

!comment
#_of_points wavelength_unit_flag
wavelength probability

文件标题指定文件中数据对的数量和波长单位标记（用0表示微米，用1表示纳米）。吸收光谱至少必须包含5个波长。如果光线的波长落在吸收光谱范围的外部，则它就不会被吸收且只会进行Mie散射。

发射光谱

发射光谱是光致发光发射的光子强度光谱，单位为光子数/秒。此光谱用于计算光线的发射特定波长的概率光谱。根据此概率光谱，任何向下转换光线都是概率分配的新波长。

ZES文件存储在<...\Documents\Zemax\ Objects\Phosphors and Fluorescence Files>中，其中包含用于为不同入射光波长定义多个发射光谱的值的网格：

!comment
#_emission_wavelengths #_incident_wavelengths wavelength_unit_flag
incident_wavelength_1 ... incident_wavelength_n
emission_wavelength_1 relative_power_1 ... relative_power_n
emission_wavelength_2 relative_power_1 ... relative_power_n

注意，一些光源使用光谱辐射通量的单位来定义发射光谱，而有些则使用光子通量。OpticStudio使用后者来定义发射光谱。使用发射光谱时，确保单位是光子数/秒。

如果定义了5种或更少的入射光波长，则将 使用线性插值法插入中间值。如果定义超过5种入射光波长，则将使用 三次样条插值法进行插值。如果只使用一种入射光波长，则该波长适用于所有入射光波长。

发射光谱必须至少包含5种发射波长。

光线只能漂移至比其原始波长更长的波长。

量子效率光谱

用户提供的量子效率光谱是下转换过程的效率，但不考虑向下转换对光线强度的影响。当使用量子效率光谱时，OpticStudio通过量子效率乘以入射和发射波长的比值来计算波长偏移对强度的影响，即所谓的斯托克斯位移：

ZQE文件存储在路径<...\Documents\Zemax\ Objects\Phosphors and Fluorescence Files>中，其中包含用于为不同入射光波长定义多个发射光谱的双精度数值对：

!comment
#_of_points wavelength_unit_flag
wavelength yield

请注意，如果在ZQE文件中只列出一个效率值，则将其用于所有波长。

激发光谱

在OpticStudio 18.9版本中，为了更清晰同时更符合行业标准，模型中的激发光谱选项已停用，取而代之的是量子效率光谱。这里提供了关于激发光谱的文档，为保持完整性，也在本页的其余位置提供。

激发光谱除了与包括更改波长对光线强度的影响外，与量子效率光谱类似。它是用于定义与波长相关效率因子F有关的效率光谱：

在OpticStudio 18.9版本中，无论是激发光谱还是量子效率光谱都必须提供。请注意，OpticStudio对激发光谱的定义不同于其他一些文件，其他定义可以交换激发光谱和吸收光谱。

激发光谱保存为ZEX文件，存储在路径 <...\Documents\Zemax\ Objects\Phosphors and Fluorescence Files>中。其中包含用于为不同入射光波长定义多个发射光谱的双精度数值对：

!comment
#_of_points wavelength_unit_flag
Incident_wavelength conversion_efficiency

如果在ZEX文件中只列出一个效率值，则将其用于所有波长。

所有效率值应为1或更小。将效率值设置为大于1可能会导致无法在系统中保存能量。

如果光线被吸收，但其波长落在激发光谱范围之外，其通量将被设置为零并终止。

Mie散射

在标准光致发光模型中，使用"考虑Mie散射"开关可以考虑或忽略Mie散射。

粒子折射率、颗粒半径、阈值和颗粒密度都是在Mie.dll散射算法中定义的相同参数。有关更多信息，请参阅知识库的文章如何利用Mie模型仿真大气散射（How to simulate atmospheric scattering using a Mie model）。

平均自由程：Mie散射事件之间的平均路径，以镜头单位表示。该参数可直接输入Mie散射平均自由程中，作为从颗粒密度值中计算Mie平均自由程的替代方法。

散射计算

光致发光和Mie散射参数的结合，可以模拟含有荧光或磷光物质的散射（或非散射）材料。

当光线通过光致发光材料时，有4种可能的结果：可以发生Mie散射、进行光致发光被吸收而不被重新发射，或不发生变化。实际发生的结果由以下流程图给出：



其中：

Ltot是总的平均自由程，LMie是Mie平均自由程，LPL是光致发光平均自由程。通过一个在0和1之间均匀分布的随机数r来得到散射类型。如果r < Ltot/ LPL，则光线进行光致发光。否则进行Mie散射。如果输入波长的量子效率不为零，则光子重新发射。在这种情况下，从发射光谱中得到波长概率。否则，通过非辐射通道光子损失。在这种情况下，光线被终止。

如果光线进行光致发光并没有被终止，它将会在一个完整球体的任意随机方向上重新发射，独立于入射光方向。

如果光线进行的Mie散射，被散射到给定方向的概率是由Mie参数决定的，而不是随机的。

基本模型

基本模型可向后兼容，但推荐用户使用标准模型，因为标准模型中Mie散射和光致发光使用的是独立的平均自由程。 

基本模型的设置除了不使用独立的光致发光平均自由程计算以外与标准模型类似。在基本模型中，光线发生光致发光的概率完全由Mie散射参数决定。如果光线的波长在吸收光谱范围内，并且发生体散射，那么它就会一直发生光致发光，同时也不可能经历Mie散射。

此外，基本模型中吸收光谱的使用与标准模型中不同。它被定义为吸收进来的光子的概率。在基本模型中它作为强度辐射的比例因子。因此，当在基本模型中使用量子效率光谱时，下转换光线的强度为：

备注

只要每个事件满足上述条件，单根光线就可经历光致发光多重波长偏移。

光致发光模型仅适用于其光谱由系统波长对话框定义的光源。其光谱使用另一种方法（黑体，三刺激数据等）定义的光源将不经历波长漂移。

一般情况下，光致发光对光线具有偏振影响，且此模型将在发生散射事件后随机产生偏振光。某些光致发光分子会显示荧光各向异性，在这种情况下荧光交互的结果是部分偏振光。但是，目前不支持此功能。如果这是您建模工作中的一种重要现象，请通过Ansys客户支持空间或Ansys学习论坛将功能申请提交至支持团队：www.ansys.com/support。

尽管在物理意义上可以发生光子上转换，但该模型并不是设计用于仿真此类效应。如果这种现象对于您的工作很重要，请通过Ansys客户支持空间或Ansys学习论坛将功能申请提交至支持团队：www.ansys.com/support。

下一部分：