Calcul de la diffusion de lumière dans des couches diélectriques contenant des micro / nanoparticules

Light scattering calculation in plane dielectric layers containing micro / nanoparticles

• Auteur / Autrice : Alexey Shcherbakov
• Direction : Alexandre Tishchenko
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, optoélectronique, photonique
• Date : Soutenance le 29/06/2012
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Granet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nikolay Lyndin, Vladimir Vyurkov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Diodes électroluminescentes organiques

Lumière -- Diffusion

Couches diélectriques

Mots clés libres

Diffraction

Diffusion

OLED

Méthode source généralisée

Diffraction

Diffusion

Generalized source method

OLED

Résumé

Il y a actuellement un vif intérêt pour des méthodes rigoureuses qui effectuent l’analyse électromagnétique des milieux diélectriques avec une distribution de permittivité diélectrique complexe. L’intérêt est motivé par des applications actuelles et futures dans la conception et la fabrication d’éléments optiques et optoélectroniques. Le niveau que les technologies de microstructuration ont maintenant atteint requiert des appels pour méthodes numériques rapides, économes en mémoire et rigoureuses capables de résoudre et d’optimiser des grandes parties de structures dont les caractéristiques représentent la fonction optique de la structure complète. Bien que la majorité des problèmes de modélisation en microoptique sont non périodiques (par exemple, une section d’une couche diffusante d’OLED, la cellule d’un réticule microélectronique, une microlentille diffractive de haute NA), ils peuvent être efficacement résolus par la périodisation de la distribution de l’indice. Une nouvelle méthode numérique puissante pour la modélisation exacte de structures périodiques 2D est décrite avec toutes les fonctionnalités et les expressions nécessaires à son exécution. La puissance de cette méthode est dans sa forme spécifique unique qui permet d’appliquer rapidement des algorithmes numériques et, par conséquent, de diminuer de façon spectaculaire la complexité de calcul en comparaison avec les méthodes établies. La comparaison avec des solutions de référence a montré que, d’abord, la nouvelle méthode donne les mêmes résultats que celles-ci sur les structures de référence et, d’autre part, que le temps de calcul nécessaire et le recours en mémoire représentent une percée vers la résolution de grandes structures périodiques ou périodisées. La méthode développée a été appliquée à analyser le problème de diffusion non périodique d’une couche diélectrique plan avec micro / nanoparticules sphériques. Une référence numérique proposée a démontré la possibilité d’obtenir environ 1% de précision. En outre, il a été développé un modèle numérique basé sur des matrices S pour la simulation des structures planes électroluminescentes. La validité de la méthode a été démontrée par comparaison avec les résultats expérimentaux. Enfin, les deux méthodes de calcul de la diffusion de la lumière et de simulation des structures multicouches ont été groupées, et une couche diffusante a été démontrée augmentait l’efficacité externe d’une OLED de quelques pour cents

There is presently a strong interest for rigorous methods that perform the electromagnetic analysis of dielectric media with complex dielectric permittivity distribution. The interest is motivated by both present and future applications in the design and manufacturing of optical elements and optoelectronic devices. The level that the microstructuring technologies have now reached calls for fast, memory sparing, and rigorous numerical methods capable of solving and optimizing large structure parts whose characteristics do represent the optical function of the whole structure. Although the majority of modeling problems in microoptics are non-periodic (e.g., a section of an OLED extraction layer, the cell of a microelectronic reticle, a high NA diffractive microlens) they can be efficiently solved by periodizing the index distribution. A new powerful numerical method for the exact modeling of 2D periodic structures is described with all features and expressions needed to implement it. The power of this method is in its unique specific form which permits to apply fast numerical algorithms and, consequently, to decrease dramatically the calculation complexity in comparison with established methods. The comparison with reference solutions has shown that, first, the new method gives the same results as the latter on benchmark structures and, secondly, that the needed calculation time and memory resort represent a breakthrough towards solving larger periodic or periodized structures. The developed method was applied to analyze nonperiodic scattering problem of a plane dielectric layer with spherical micro/nanoparticles. Proposed numerical benchmark demonstrated the possibility to get about 1% accuracy. In addition there was developed a numerical S-matrix based method for planar electroluminescent structures simulation. Validity of the method was demonstrated by comparison with experimental results. Finally both methods for the light scattering calculation and multilayer structures simulation were joined, and a scattering layer was demonstrated to increase an OLED external efficiency by several percent