使用Lumerical STACK求解器设计抗反射圆偏振器

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说明

在本示例中，我们将展示使用Lumerical STACK求解器来设计抗反射圆偏振器，以减少OLED显示器的环境光反射。

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综述

OLED显示器的底部金属电极可以用于增强光提取效率，然而它也会带来环境光反射的不利影响，导致显示器在室外使用时对比度降低。在本例中，演示了使用圆偏振器来最小化具有特定线偏振的光的反射[1]。圆偏振器的配置和工作原理如下所示：

图1

为了简单起见，多层OLED结构由金属反射器表示。入射到线性偏振器上的光在传播通过半波片之后变成30°线偏振，然后在通过四分之一波片之后变成圆偏振。反射光最终将变得相对于线性偏振器的偏振正交偏振，因此被其阻挡。

反射光可以分解为两部分，如图1所示。R1表示空气/偏振器界面处的反射，R2与圆偏振器相关。在本例中我们将关注如何最小化R2，关于R1的最小化，请参阅原文。

为了分解R1和R2，一种方法是添加折射率为1.5的人工层，如下图所示。

图2

折射率1.5被选择为接近线性偏振器的折射率，使得圆形偏振器在有或没有人工层的情况下的总反射几乎相同。然后，我们将通过脚本命令将反射率从STACK Solver（棕色箭头）转换为R2（蓝色箭头）。

偏振器和波片由各向异性材料制成，这意味着它们的折射率在不同方向上可能不同。通过旋转相应的介电常数张量，在STACK Solver中充分考虑了极化/慢轴的旋转。

步骤1：初步测试

本步骤的主要目的是确保仿真被正确设置，并验证圆偏振器在正入射时的抗反射性能。通过脚本可以绘制圆偏振片在正入射时的反射光谱，选择波片的厚度以使目标波长为0.55μm时的反射最小，图3中可以得到证实。反射光谱中的小波纹可以归因于多层膜的法布里-珀罗共振。

图3

步骤2：角度扫描

在该步骤中，通过扫描入射角（θ和φ）来表征圆偏振器的反射特性，在几何光学工具（如Ansys SPEOS）中根据视角进一步评估显示器的性能时很有用。脚本将通过旋转介电常数张量扫描入射角（phi），然后给出作为波长和角度（θ和phi）函数的反射率。

图4

通过查看Visualizer工具可以查看R_ave的极坐标图像，即Rs和Rp的平均值。我们可以发现，入射角θ越大反射越高，这意味着抗反射膜层在入射角越大时就会失效。

接下来，参考论文[1]，我们研究了两种不同的各向异性薄膜：

图5

Nz是各向异性材料薄膜的关键参数之一，其定义为（nx-Nz）/（nx-ny）。扫描了Nz从1.5到0.5的结果，从上图中，我们可以发现Nz=0.5可以在所有入射角下实现更好的抗反射性能，这与论文[1]一致。

审核编辑：刘清