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All posts by Daniel Smith

计算普通光源的发射光谱

2016年 1月 14日

我很喜欢一年前购买的飞利浦 Hue照明系统。该系统允许使用智能手机为多达18个灯泡设置数百万种不同的颜色和数千种亮度级别。你也可以通过编程让系统在你接近住处时自动开启,这被称为“地理定位”,或者在一天中的特定时间自动开启。那么,与其他照明技术相比,它的光质量如何呢? 家庭照明系统 飞利浦Hue系统的工作原理是改变输出的蓝光、绿光和红光量,可以直接从智能手机上进行设置。如果对某种特定颜色的光很敏感,就可以简单地避开它。你还可以根据自己的心情设置灯光,以帮助集中精力,为自己充电、阅读或放松心情。该系统存在一种“集中”模式,该模式优先输出更多的蓝光,以增强人体集中的能力。在晚上放松时,我使用“日落”模式,该模式会提供更多的红色和橙色色调。 在使用该系统一段时间后,我还发现了一些长期优势: 与使用老式荧光灯相比,我晚上更容易入睡。 自从升级系统以后,我的电费每月减少了约21美元。这是因为12 W的发光二极管(LED)灯泡可以产生与60 W白炽灯泡相同的光输出。   比较我公寓里的一些照明系统的设置。左:柔和的白色。中:红色。右:蓝光。   我曾试图说服我的父母购买该系统,但我的推销说辞并未打动他们。我最近给他们买了这个系统作为圣诞礼物,当我为他们演示该系统时,我听到的第一条评论是:“哇,光感如此自然。”这促使我思考为什么会这样,是否可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件研究其中蕴含的基础物理学。简单来说答案就是:高效LED灯泡产生的发射光谱。通过比较自然光的发射光谱与白炽灯、荧光灯和LED灯泡产生的光谱,我们可以更好地理解这种现象。 在 COMSOL Multiphysics 中绘制发射光谱 下图绘制了自然光、白炽灯、荧光灯和LED灯泡的发射光谱。如你所见,不同灯光的发射光谱是非常不同的,它们中的任何一个都无法完美地复制自然光。 自然光 让我们从太阳光到达地球表面开始。目前还没有办法用人造光源再现自然光的发射光谱。但是,可以使用 光导管 将进入的自然光重新定位到地下(如地铁站中)。其中一个例子就是将光定位到了柏林的地下火车站。一根光导管从车站上方伸出(如下方左图所示)并收集光线,该光线通过一根特殊的管道传输并进入地下车站(如下方右图所示)。   左:柏林火车站入口处的光导管。图片由 Dabbelju 自己的作品制作。通过 Wikimedia Commons 在 CC BY-SA 3.0 下获得许可。右:光导管将光传输到地下终端。图片由 Till Krech-Flickr提供。通过 Wikimedia Commons 在 CC BY 2.0下获得许可。 白天,光导管为火车站提供了更自然的照明。这种方法一个明显的缺点是它无法在夜间工作,因此需要一种模仿自然光的人造光。 自然光的发射光谱通常在光谱的可见部分,且遵循普朗克分布,如下图所示。尽管强度在浅蓝色区域(约460 nm)处最高,但没有一种颜色比其他颜色更突出。 从太阳到达地球表面的可见光的发射光谱。 白炽灯泡 白炽灯泡里含有钨丝,当电流通过时,钨丝会被电阻加热。在2000 K(约1727摄氏度)左右的温度下,灯丝开始发出可见光。为了防止钨丝烧毁,灯泡里要充满一种气体,通常是氩气。灯丝中产生的热量通过辐射、对流和传导传递到周围环境中。白炽灯泡发出的红光比例大于自然光。发射甚至延伸到电磁波谱的红外部分,这浪费了能量且降低了灯泡的整体效率。   一个普通白炽灯泡可见范围内的发射光谱。 荧光灯泡 荧光灯通常由一根长玻璃管组成,该玻璃管中包含有低压汞和稀有气体(如氩气)的混合物。在该管内部,产生了非平衡放电(等离子体)。这意味着电子温度与周围气体混合物的温度不同。电子温度可以超过20,000 K(约19727摄氏度),但是气体温度保持在相对接近室温300 K(27摄氏度)的水平上。由于等离子体处于非平衡状态,电子碰撞反应会改变气体混合物的化学成分,以碰撞过程控制的方式。这些碰撞会产生电子激发的中性粒子,这些中性粒子随后会产生特定波长的光子自发辐射。 可见光是由两种机制产生的:直接由放电产生的光发射,或由激发管表面的磷光体产生的光发射。荧光灯通常会给患有称为 Irlen 综合征视觉障碍的人带来麻烦,而且长时间暴露在荧光灯下时,人们经常会抱怨头痛和偏头痛。 如下图所示,荧光灯光源的发射光谱看起来很奇怪。这种量子化或者是由于等离子体的直接发射,或者是由于荧光粉的作用。但对人眼来说,发出的光看起来仍然是白色的。和白炽灯泡一样,荧光灯泡的效率也很低,因为需要维持等离子体,而且它发出的辐射在不可见的范围内。 一个普通荧光灯的发射光谱。 LED灯泡 LED正在给照明行业带来一场革命,因为与传统的白炽灯技术相比,LED灯的发光效率更高且耐用性更强。普通的家用LED灯泡在发光时所需的功率只有同等亮度白炽灯的10%到20%。LED灯泡的使用寿命超过25,000小时,相比之下白炽灯泡只有1000小时。 LED具有比白炽灯泡更高的效率,因为它们以完全不同的原理发光。LED(发光二极管)是一种半导体器件,当导带中的电子与价带中的空穴通过辐射复合跃过带隙时发光。与白炽灯泡不同,LED可以在非常窄的波长范围内发光。 最初,红色、绿色和黄色 LED 在20世纪50年代和60年代发展起来。然而,正是 蓝色LED 的发明导致了新型高效白光光源的产生。此类LED发出的蓝光可用于刺激LED外壳周围的磷光体层发出更宽的光谱,或者可直接与红色和绿色LED组合以产生白光。 如下图所示,黄色荧光粉设置的LED光谱更接近自然光。蓝光比白炽灯要多,并且几乎所有能量都在可见光谱范围内发射。 一个普通 LED 灯泡在温暖白色环境下的发射光谱。 组合光源 不同的发射光谱绘制在下面同一个轴上。尽管没有一个灯泡能够完全重现自然光,但 LED 灯泡显然是最好的近似光源。所有的发射都在可见光范围内,这使得设备非常高效。 来自自然光、白炽灯、荧光灯和 LED 灯泡的发射光谱。 通常,白炽灯和荧光灯有固定的光输出,还有固定发射光谱的LED灯泡。通过绘制不同光源的发射光谱,我们可以推断出LED灯泡最接近自然光。 探索更多的光源模拟方法 正如我们在这篇文章中所看到的,有许多不同的方法来创建人造光。上面描述的所有方法都可以使用带有半导体、等离子体、传热或射线光学模块的COMSOL Multiphysics上模拟。 阅读博客文章: 创建波长可调LED仿真应用 建模灯泡,所有形式的热传递 Vdara酒店的腐蚀性表面生成分析 下载教程模型: 无极灯 透明光管 PHILIPS是 […]

COMSOL Multiphysics 中的粒子计数方法

2015年 11月 19日

COMSOL 中提供了多种粒子计数工具。您可以根据具体应用选择最优的方法,比如说,您希望在方程组还是后处理中使用已计数的粒子数。COMSOL Multiphysics 的 粒子追踪 接口提供了三个主要的粒子计数选项。这些方法都有很好的通用性,支持计算类似电荷密度和动量通量等物理量,本篇博客将主要介绍如何计算一组域或边界上的粒子数。

石墨烯革命:第五部分

2013年 5月 8日

在一篇名为”选择石墨烯基晶体管的栅介质“的论文中,讨论了半导体形式石墨烯的应用。正如我们之前所了解的,单层石墨烯并非一种半导体,它是一种零带隙导体(半金属)。人们正尝试向石墨烯中引入带隙,这将使它变得半导电,室温迁移率将比硅高一个数量级。人们现在正积极思考在攻克剩余技术难题之后,如何应用这类材料。半导体石墨烯的应用之一是设计下一代快速切换金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

石墨烯革命:第四部分

2013年 5月 2日

石墨烯可以在高真空下利用热分解制造。为了设计和优化这些高真空系统,工程师可能转向仿真寻求帮助,不过目前还没有多少仿真工具能胜任这一工作。让我们来看一下真空系统如何与石墨烯的生产相关,为什么要模拟它们,以及如何模拟。

石墨烯革命:第二部分

2013年 3月 27日

我在之前的一篇博客中曾经介绍过石墨烯的一些奇异特性。石墨烯仅包含单层原子,这意味着任何石墨烯基结构都将有极高的纵横比;而高纵横比的几何也为模拟带来了各种挑战。 石墨烯的传热模拟 COMSOL 提供了多种工具来帮助模拟具有极高纵横比的几何及特征。最近,人们利用 COMSOL 对石墨烯“被子”进行了传热模拟,《Nature Communications》杂志的”用于高功率 GaN 晶体管热管理的石墨烯被子“一文介绍了该研究。论文作者使用 COMSOL Multiphysics 证实,可通过引入由薄层石墨烯 (FLG) 制作的额外散热通道,即顶面导热片,来显著提升 AlGaN/GaN 异质结场效应晶体管 (HFET) 的局部热管理。 COMSOL Multiphysics 的传热接口支持您使用薄层特征特征模拟极高纵横比的组件。这一特征仅求解表面切面处的传热方程,因此免去了在高纵横比层中使用极端细化网络的需求。使用此方法能够极大减少计算时间和内存使用。 薄层特征设定窗口。 石墨烯的电气模拟 从 2006 年开始,人们就已经使用 COMSOL 来研究石墨烯的电气特征。在这篇论文中,研究人员使用 COMSOL 来推导石墨烯基复合材料的面内和横向电导率。我们可以很轻松地在 COMSOL Multiphysics 中输入电导率的张量物理量。您仅需提供电导率张量元,它可以是温度或其他任何量的函数。 可以轻松在电流接口电流守恒特征的设定窗口中指定各向异性电导率。 石墨烯的结构力学模拟 COMSOL 也可以模拟石墨烯的结构力学应用。在这篇论文中,研究人员计算了石墨烯膜在压力差作用下产生的挠度和应变。可通过电气检测到带结构中的变化,这说明它可用于制造超灵敏压力传感器。结构力学模块的壳接口主要用于薄壁结构中的结构力学分析,因此非常适合此类应用。壳接口使用 Mindlin-Reissner 类公式,即考虑了横向剪切形变。这意味着我们无须对极薄结构进行网格剖分,就可以获得高精度的结果。 壳接口中材料模型的设定窗口。 相关示例模型 我们现在已经分析了热学、电气以及力学的模拟概念,您可能在想有什么模型能同时用到所有这些概念。确实有一个,您可以查看案例库中电路板加热模型,如下所示。 电路板加热模型演示了热学、电气以及力学模拟概念。 这一多物理场示例模拟了加热电路器件时电热的产生、传热,以及机械应力和变形。模型用到了传热模块的固体传热接口,AC/DC 模块的电流,壳接口,以及结构力学模块的固体力学和壳接口。

石墨烯革命:第一部分

2013年 3月 12日

石墨烯是一类由单层以碳原子六方晶格排列构成的特殊材料。2003 年,英国曼彻斯特大学的两位科学家发现了稳定态的石墨烯(巧的是,我当时正在该校攻读硕士学位),并因此获得了 2010 年的诺贝尔奖。近年来,石墨烯已成为主流报道中的常客;欧盟委员会承诺提供 10 亿欧元(没错,单位是亿欧元)的赞助来商业化石墨烯制造及应用。


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