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理论

发光物理

层状器件中的偶极发光、功率耗散、模式与出光

本章按“偶极发光源 -> 效率分解 -> 微腔/波导/SPP -> 功率耗散与平面波矢 -> 光学模”的顺序说明层状器件内部的发光物理，并把这些物理量对应到软件的发光结果页。

本章范围

外部入射的平面波从环境介质进入层系；与之相对，发光仿真把激子建模为层系内部的辐射点偶极子。当每一层都是平整薄膜、且器件横向尺寸远大于功能层厚度（高宽厚比）时，点偶极子多层模型成立；小面积、厚器件的边缘效应不在该模型的覆盖范围内。

物理对象模型描述仿真含义
发光源层系内部的辐射点偶极子与外部平面波激励相对，源在结构内部
光谱强度随波长分布（可测量）前向出射光谱
角分布强度随角度分布（可测量）前向出射的角向强度
功率耗散耗散功率随平面波矢分布（不可直接测量）区分各损耗通道的色散依据
光学模损耗通道的份额分布（不可测量）出光、波导、倏逝、吸收、非辐射损耗占比
珀赛尔系数影响内量子效率的自发辐射属性（难以测量）结构对自发辐射速率的调制

这些量共同用于探究微腔效应、珀赛尔效应、平板波导、光学隧穿与表面等离子激元（SPP）等效应。

偶极发光与取向

无取向发光体各向同性辐射；各向同性发光是竖直（z）偶极子与水平（x,y）偶极子辐射功率密度的加权和，

Kiso=13Kv+23KhK_{iso}=\tfrac{1}{3}K_{v}+\tfrac{2}{3}K_{h}

其中 iso 表各向同性，v 表竖直（z），h 表水平（x,y）。竖直偶极子的远场主要在面内辐射（沿 z 方向无远场辐射）；水平偶极子主要沿 z 方向（出平面）辐射。

由于发光层（EML）折射率高于空气，超过临界角的光在界面发生全内反射而无法出射，构成逃逸角（escape cone）。水平偶极子把更多功率置于逃逸角之内，因此其取光效率（LEE）显著高于竖直偶极子；竖直偶极子的能量大多转为损耗。

量子效率、珀赛尔与 EQE

OLED 的外量子效率（EQE）分解为内量子效率（IQE）与取光效率（LEE）的乘积：

EQE=IQE×LEE=γ χST qeff LEEEQE = IQE\times LEE = \gamma\,\chi_{ST}\,q_{eff}\,LEE

其中 γ\gamma 为载流子平衡系数，χST\chi_{ST} 为自旋形成比（纯随机的单/三重态形成时 =1/4=1/4），qeffq_{eff} 为有效量子效率，LEELEE 为取光效率。QLED/PeLED 不存在自旋统计瓶颈，χST\chi_{ST} 项消失：

EQE=IQE×LEE=γ qeff LEEEQE = IQE\times LEE = \gamma\,q_{eff}\,LEE

LEE 定义为进入环境介质的光子数与发光层发出光子数之比，也称出光（耦合）效率。对朗伯（Lambertian）发光体，几何光学给出极限

LEE=12n2LEE=\frac{1}{2n^{2}}

因此折射率更高的发光层（如 QLED/PeLED）几何 LEE 更低。该式只是近似：器件各层为亚波长尺度，微腔、珀赛尔、波导与 SPP 效应共存，斯涅耳几何光学无法解析损耗预算，必须用波动光学（CPS 类）模型求解。

自发辐射并非材料固有属性，光学环境（器件结构）会对其进行调制，因此可通过结构工程改变量子效率。环境调制后的辐射衰减速率写作

b=q0b0F+(1−q0)b0b=q_{0}b_{0}F+(1-q_{0})b_{0}

其中 bb 为环境调制后的衰减速率，b0b_0 为本征衰减速率，q0q_0 为本征量子效率，FF 为珀赛尔系数；当 q0=1q_0=1 时 b=b0Fb=b_0F。由珀赛尔系数得到有效量子效率

qeff=q0Fq0F+1−q0q_{eff}=\frac{q_{0}F}{q_{0}F+1-q_{0}}

寿命比为

τ0τ=bb0=1−q0+q0F\frac{\tau_{0}}{\tau}=\frac{b}{b_{0}}=1-q_{0}+q_{0}F

不同偶极取向对应不同的 FF；通过微腔增强水平偶极子、抑制竖直偶极子，可提高 LEE 并削减波导/SPP 损耗。FF 还随波长变化。珀赛尔系数也可写作平面波矢上的积分

F=∫0∞f(u) du,u=sin⁡θe (各向同性)F=\int_{0}^{\infty} f(u)\,du,\qquad u=\sin\theta_{e}\ \text{(各向同性)}

被积函数 f(u)f(u) 是耗散功率谱，对其积分即得 FF。

发光过程可拆为“电荷注入与激子形成 -> 电光转换 -> 光学损耗与出光”。前两步是电学输入而非光学过程：载流子平衡系数 γ\gamma 与自旋形成比 χST\chi_{ST} 共同构成模型的转换效率（Conversion Efficiency）=γχST=\gamma\chi_{ST}，不受珀赛尔效应影响。本征量子效率 q0q_0 则进入模型的量子效率（Quantum Efficiency）输入，再经珀赛尔效应映射为有效量子效率 qeffq_{eff}；本征寿命 τ0\tau_0 同样受珀赛尔效应影响。

微腔、波导与 SPP

OLED 膜层堆叠在微/纳米尺度上构成具有平面反射界面的微腔，产生波长尺度的干涉，干涉分为广角干涉与多光束干涉两类。广角干涉来自直接出射光与底部反射光之间的干涉，主要由发光体到底部反射镜的距离 dbottomd_{bottom} 决定：

2πλ 2n dbottomcos⁡θ−ϕbottom=m 2π\frac{2\pi}{\lambda}\,2n\,d_{\mathrm{bottom}}\cos\theta-\phi_{\mathrm{bottom}}=m\,2\pi

多光束干涉来自多次往返，由总腔长 dtop+dbottomd_{top}+d_{bottom} 决定：

2πλ 2n (dbottom+dtop)cos⁡θ−(ϕbottom+ϕtop)=m 2π\frac{2\pi}{\lambda}\,2n\,(d_{\mathrm{bottom}}+d_{\mathrm{top}})\cos\theta-(\phi_{\mathrm{bottom}}+\phi_{\mathrm{top}})=m\,2\pi

单一金属电极构成弱微腔；增加半透明金属电极（或 DBR）则构成干涉更强的强微腔。微腔调控通过发光体—反射镜距离及腔长（HTL/ETL/EML 厚度、偶极子位置）实现。

被全内反射的光经干涉支撑形成波导模式，最终转为热损耗。波导损耗通常占总损耗的 30%–70%（随器件而异），因此抑制波导损耗是提高 LEE 的关键。波导（横向谐振）条件为

ng2πλ0(2dcos⁡θ)−ϕgt−ϕgb=m(2π),m=0,1,2,…n_{g}\frac{2\pi}{\lambda_{0}}(2d\cos\theta)-\phi_{gt}-\phi_{gb}=m(2\pi),\quad m=0,1,2,\dots

波导是否形成取决于腔长 dd、折射率 nn、角度 θ\theta、波长 λ\lambda 与偏振；腔越长可容纳越多整数 mm（模式更多），因此越薄的器件越易控制。

在金属—介质界面附近，发光体通过近场把能量耦合进表面等离子激元（SPP），产生非辐射损耗并缩短荧光寿命（距离很近时趋于零）。按 Drude 模型，SPP 共振频率取决于金属与介质的折射率；材料固定时，波长、偶极子—金属距离与偶极取向控制 SPP 损耗。激发 SPP 需要 TM 偏振，而竖直偶极子的发光全部为 TM 偏振，因此竖直偶极子是 SPP 损耗的主要来源。

功率耗散与平面波矢

平面波矢是波矢在界面平面上的投影：

k=kx2+ky2+kz2,kin=kx2+ky2k=\sqrt{k_x^2+k_y^2+k_z^2},\qquad k_{in}=\sqrt{k_x^2+k_y^2}kin=niωcsin⁡θi=ni2πλ0sin⁡θik_{in}=n_i\frac{\omega}{c}\sin\theta_i=n_i\frac{2\pi}{\lambda_0}\sin\theta_i

引入 uinu_{in} 与 neffn_{eff}：

uin=sin⁡θe,neff=nisin⁡θiu_{in}=\sin\theta_e,\qquad n_{eff}=n_i\sin\theta_ikin=ni2πλ0sin⁡θi=ne2πλ0uin=2πλ0neffk_{in}=n_i\frac{2\pi}{\lambda_0}\sin\theta_i=n_e\frac{2\pi}{\lambda_0}u_{in}=\frac{2\pi}{\lambda_0}n_{eff}

uinu_{in} 与 neffn_{eff} 同 θ\theta 的关系与波长无关，因此能直观地划分模式；当 uin=1u_{in}=1（或 neff=nen_{eff}=n_e）时 θe=90°\theta_e=90°，即发光层内光沿界面传播。当

kin>ne2πλ0;uin>1;neff>nek_{in}>n_e\frac{2\pi}{\lambda_0};\quad u_{in}>1;\quad n_{eff}>n_e

时 sin⁡θe>1\sin\theta_e>1，θe\theta_e 取复值，对应倏逝波，也是激发 SPP 的条件。

在微腔/波导效应下，发出的能量沿 kink_{in} 分布（不同方向功率不同），不同于真空中的各向同性辐射；相长干涉表现为尖锐特征（如波导峰），SPP 激发则在高 kink_{in} 处呈现独立特征。

光学模

发出的能量按平面波矢区间归入不同光学模。下表中 ntn_t 为顶层折射率，nbn_b 为底层折射率，nsn_s 为衬底折射率，nen_e 为发光层折射率：

模式（软件中）科学名称kink_{in} 区间常用描述（非定义）
TOC—[0, ntωc][0,\ n_t\frac{\omega}{c}]顶部出光
BOC—[0, nbωc][0,\ n_b\frac{\omega}{c}]底部出光
TOC（顶层为空气）Air Mode[0, ωc][0,\ \frac{\omega}{c}]取光效率 / 出光效率
SUB（顶层为空气）Substrate Mode[ωc, nsωc][\frac{\omega}{c},\ n_s\frac{\omega}{c}]被衬底—空气界面反射限制在衬底内的光
ABS（无非相干层）Absorption Mode[0, ωc][0,\ \frac{\omega}{c}]TOC 路径上的吸收损耗
ABS（含非相干层）Absorption Mode[0, nsωc][0,\ n_s\frac{\omega}{c}]TOC 与 SUB 路径上的吸收损耗
WVG（无非相干层）Waveguide Mode[ωc, neωc][\frac{\omega}{c},\ n_e\frac{\omega}{c}]全内反射加干涉形成的波导损耗
WVG（含非相干层）Waveguide Mode[nsωc, neωc][n_s\frac{\omega}{c},\ n_e\frac{\omega}{c}]全内反射加干涉形成的波导损耗
EVAEvanescent Mode[neωc, ∞][n_e\frac{\omega}{c},\ \infty]倏逝波损耗，一般为 SPP 损耗
NRANonradiative Mode[0, ∞][0,\ \infty]非辐射损耗，量子效率小于 100% 时出现

Air Mode 对应 EQE；当转换效率与量子效率均为 1（默认）时，Air Mode 对应 LEE。Air Mode 又称 Outcoupled / Leaky Mode，Evanescent Mode 又称 SPP Mode。非辐射模（NRA）仅在本征量子效率 q0<1q_0<1 时出现；由于珀赛尔增强，NRA 份额并不简单等于 1−q01-q_0。

当前的 Mode 计算要求折射率满足 nt 或 nb < ns < nen_t\ \text{或}\ n_b\ <\ n_s\ <\ n_e。该约束来自上表的区间划分规则；若结构不满足此排序，模式划分可能失效。
Absorption Mode 并不是全部吸收损耗之和。波导光与倏逝光最终也会被吸收，若把它们计入吸收，WVG 与 EVA 模将消失。Absorption Mode 只包含 TOC 与 SUB 路径上的吸收。

与软件结果页的对应关系

结果页 / 探测器物理来源解读重点
Power Dissipation（功率耗散）耗散功率随 kink_{in}（或 uinu_{in}、neffn_{eff}）分布各损耗通道的色散分布、波导峰与 SPP 特征
Intensity（强度）偶极发光经层系出射的强度前向出射强度随角度/波长的分布
Mode（光学模）按 kink_{in} 区间分解的损耗份额TOC/SUB/ABS/WVG/EVA/NRA 占比与 EQE、LEE
Intensity Color（强度色彩）出射强度的色彩表征强度随波长的色彩分布
Normalized Spectrum（归一化光谱）强度随波长分布（归一化）前向出射光谱形状
Normalized Angular Distribution（归一化角分布）强度随角度分布（归一化）前向角向强度分布
Emission（发光）珀赛尔系数 FF、有效量子效率等综合输出结构对自发辐射的调制（含 FF 的波长依赖）

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