CBR 光学腔仿真记录 - 万旭辉的小窝

仿真目标

当前仿真同时维护四条互不覆盖的分支：历史 637 nm 银反射镜 CQD-CBR、630 nm TFB-CBR、新 632 nm DBR-CQD-CBR，以及 FAPbI3 818/824/830 nm 近红外 CBR。评价标准不能只看最高 Purcell，还要记录峰位、模场限制、泵浦透射、结构容差和可制造性。

632 nm DBR-CQD-CBR：Purcell 与模场结果

R	P	W	H	d_SiO2	峰位	Fp_max	限制因子
570 nm	360 nm	275 nm	250 nm	288 nm	632 nm	50.0	待核验

这一分支用 DBR 替代底部银反射镜，为上方 CQD 增益层提供红光反馈，同时给下方 GaN LED 的蓝光泵浦留出透射窗口。报告参数表给出总限制因子 85.5%，正文又给出 Γz≈90%、Γx≈95%；定义和后处理口径未对齐前不发布确定总值。

DBR 反射谱与 GaN LED 蓝光发射谱 — 蓝光泵浦波段需要较高透射，红光激射波段需要较高反射。当前蓝光加权透射率约 75.25%。

632 nm DBR-CQD-CBR Purcell 光谱 — **Purcell spectrum：**632 nm 分支的谐振峰，Fp_max=50.0。

632 nm DBR-CQD-CBR 平面模场 — **field_xy：**源平面模场显示中心局域和径向布拉格反馈。

632 nm DBR-CQD-CBR z 方向模场限制 — **field_yz / z 向限制：**纵向场分布与折射率剖面；正文记录 Γz≈90%。

632 nm DBR-CQD-CBR x 方向模场限制 — **x 向限制因子：**横向场分布与光栅折射率剖面；正文记录 Γx≈95.01%。

FAPbI3 818 / 824 / 830 nm 精修结果

目标	R	P	W	H	dSiO2	hTiO2	h1	Fp
818 nm	648	415	320	320	366	70	136	106.506
824 nm	655	417	320	320	366	70	136	105.210
830 nm	659	423	335	320	366	70	136	96.995

824 nm 精修结果为峰位 823.7388 nm、Fp_max 105.2098，正文记录 Γz=94%、Γx=95.66%。旧的 654/419/315 nm、824.145 nm、Fp=102.44 仍作为早期已接受版本保留，不被新结果静默覆盖。

FAPbI3 824 nm CBR Purcell 光谱 — 824 nm 精修结构的 Purcell 光谱，峰位 823.7388 nm，Fp_max 105.2098。

FAPbI3 824 nm CBR 平面模场分布 — 824 nm 模场分布用于检查中心局域与径向反馈；高 Purcell 本身仍不等于激光。

FAPbI3 824 nm CBR z 方向模场限制 — z 方向场分布与折射率剖面，Γz=94%。

FAPbI3 824 nm CBR x 方向模场限制 — x 方向场分布与光栅剖面，Γx=95.66%。

824 nm R / P / W 容差

R

峰位约每增加 1 nm 红移 0.66 nm，Fp 大致维持在 102–106。

P

峰位约每增加 1 nm 红移 0.6 nm，同时 Fp 变化更明显。

W

峰位大致维持在 823.7–823.8 nm，主要调节反馈强度和 Purcell。

824 nm FAPbI3-CBR 半径 R 容差光谱 — R 扫描：647、651、655、659、663 nm。

824 nm FAPbI3-CBR 周期 P 容差光谱 — P 扫描：409、413、417、421、425 nm。

824 nm FAPbI3-CBR 光栅宽度 W 容差光谱 — W 扫描：312、316、320、324、328 nm，主峰位置基本重合。

容差分析已完成。当前结论是 R、P 主要控制峰位，W 对波长具有更大的工艺容差。

长脉冲泵浦需求的简化模型

报告把辐射、非辐射和阈值附近的 Auger 损耗等效到综合寿命 τeff 中。在 τeff=2 ns、GaN LED 脉宽至少数十纳秒的条件下，系统接近准稳态，阈值主要由激子产生速率能否补偿复合损耗决定。这部分暂不计入 CBR 腔反馈、腔损耗和热效应。

CQD 阈值能量密度与功率密度随泵浦脉宽变化 — 短脉冲区主要看单脉冲总能量；长脉冲区功率密度趋近准连续波极限，能量密度随脉宽增加。

不同泵浦脉宽下 CQD 激子积累与复合损耗机理图 — 短脉冲主要由总注入能量控制；过渡区同时发生激子积累与复合补偿；长脉冲接近产生速率与损失速率的动态平衡。

对应的简化布居方程为 d⟨N⟩/dt=σabsPλp/(hc)−⟨N⟩/τeff。短脉冲区 Fth 近似不变而 Pth∝1/τp；脉宽接近 τeff 后，泵浦需要补偿脉冲期间累积的复合损耗；当 τp≫τeff 时，Pth 趋近准连续波极限，而 Fth 随脉宽近似线性增加。

图中 σabs=1×10^-14 cm²/QD、⟨N⟩th=0.676 为估算参数，待用当前样品和腔体数据核验。

历史 637 nm CQD-CBR 归档

以下内容保留银反射镜 CQD-CBR 的历史参数、失败结果和 631 nm 厚度支线，不与新 DBR 分支混用。

软件和版本

项目	记录	状态
仿真软件	Lumerical FDTD	已确认软件类型，具体版本待补充
模型类型	3D，full-domain PML	已确认
材料	CdSe QD n、SiO2 (Glass) - Palik、Ag Setfos；无 Cr 层	已确认
温度	300 K	已确认于调参记录

参数表

参数	当前锚点	说明
R	566.2 nm	主要用于调回 637 nm 附近
P	375 nm	当前 fine-screening 和 ma2 邻域检查较优
W	275 nm	均匀环宽优于简单 W apodization
H	309 nm	影响垂直有效折射率和模式体积
d_SiO2	350 nm	镜面相位和金属损耗耦合折中
d_Ag	100 nm	固定，不作为优化变量
m	10	CBR ring 数
dipole_z_frac	0.45	source-height scan 后保留
mesh	mesh accuracy 2；局部 dx/dy/dz=30/30/15 nm	用于当前验证记录

扫描范围

波长：常规 screening 使用 630-640 nm；高分辨率检查使用 635-639 nm。
几何：R、P、W、H、d_SiO2 做局部和分支扫描。
取向：单 z 偶极、单 x/y 偶极、三偶极 xyz 平均分开记录。
厚度/模场支线：100-200 nm 厚度分支用于 631 nm 附近模场限制因子，不和 637 nm 高 Purcell 分支混用。

最优结果

结果	数值	备注
single-z Purcell_637nm	44.360	peak 44.360 at 637.017 nm
x / y Purcell_637nm	约 0.725	同一几何下明显弱于 z 偶极
xyz 平均	约 15.27	约等于 (0.725 + 0.725 + 44.360) / 3
高分辨率检查	peak 约 44.297 at 636.839 nm；Purcell_637nm 约 41.148	没有发现隐藏的 >100 窄峰
source height	dipole_z_frac=0.45 保留	上下移动没有提高 637 nm Purcell

失败结果

quarter-domain / half-domain symmetry boundary 在当前 point-source/API 设置下返回 0，不能直接沿用。
leading ring placement 在当前解释下近 0，不作为有效设计。
简单 W apodization 比均匀 W=275 nm 更差。
P chirp 只能移动峰位，没有打开更强高 Q 分支。
大幅偏离 H≈309 nm 或 d_SiO2≈350 nm 会降低 637 nm Purcell 或峰值。

厚度 / 模场限制因子支线

height	peak wavelength	peak Purcell	Purcell at 631 nm	gamma_z	gamma_x
100 nm	630.893 nm	8.609	8.574	61.02%	91.15%
120 nm	631.804 nm	10.165	7.922	68.14%	91.89%
160 nm	631.804 nm	11.686	8.554	78.64%	95.27%
180 nm	632.007 nm	14.183	7.329	82.49%	94.37%
200 nm	631.399 nm	14.470	12.483	85.02%	94.44%

这一支线服务电泵 ASE / 模场限制因子判断，不直接替代 637 nm CBR_TUNING_NOTES 的最优几何。

7.10 新增：630 nm TFB-CBR 独立分支

这一分支使用 Ag_top 25 nm、ZnMgO 70 nm、TFB 25 nm、PEDOT:PSS 30 nm、ITO_up 20 nm、 Ag_down 100 nm、ITO_down 150 nm、Si 1000 nm、H 100 nm。它与上面的 637 nm 主体不是同一套结构，也不能用当前少量结果覆盖历史结论。

运行	几何与结果	证据边界
原始 FDTD	R=664、P=431、W=315 nm	已确认；PPT 中 P/W 写反已纠正
主扫描当前最优	664/434/315 nm；630.69151 nm；Purcell 1.67255；z=-132.5 nm	已确认；仅完成 63/251
独立复跑	664/431/315 nm；629.180799 nm；Purcell 1.71941；z=-132.5 nm	已确认；独立配置
二维监视器复跑	同几何；z=-142.5 nm；Purcell 9.72021	已确认数值；不可与前两组直接比较
容差与后续	15 例容差扫描仅启动首例；Q、模式和配置对齐仍待补	待核验；不能外推完整最优

GaN LED 稳态热仿真与实测对照

商用 LED 水冷测试用于校准热仿真边界和泵浦源温升，不替代 CQD-CBR 的材料增益或 lasing 证据。当前只可表述为：在四个已测热功率点上，h_air=16 W/(m²·K) 更吻合，不表示普适校准完成。

四点误差 h_air=16：MAE≈0.86 °C，RMSE≈1.00 °C，最大绝对误差≈1.56 °C。

功率口径 0.200、1.200、2.880、4.968 W 均为热功率；与电输入功率分开记录。

实验边界 环境温度 21 °C；水冷台仍在校准，PID 问题尚未解决。

不能外推 四点拟合只适用于当前模型和工况；更广功率范围、边界条件与稳态重复性仍待核验。

GaN LED COMSOL 三维热模型 — GaN LED、PCB 与环境域构成的稳态传热模型。

GaN LED 实测温度与 COMSOL 温度对比 — 四个稳态热功率点的仿真与实验对照。

打开商用 LED 实验记录

后续需要补充的仿真

Q factor、模式体积、远场和偏振。
完成 630 nm 主扫描剩余 188 个候选，并统一三组配置后再比较 Purcell。
Ag 底反射、DBR 替代 Ag、DBR + 透明电极三种结构对比。
泵浦透过率与 CBR Purcell 的共同优化。
COMSOL 热仿真：LED 单热源、CBR 单热源、联合热源、环氧 thickness / k sweep。
继续 630 nm TFB-CBR 的 15 例容差扫描；824 nm R/P/W 容差已完成并单独归档。
no-cavity 或 detuned-cavity control 的仿真对照。

CBR 光学腔 FDTD 记录