薄膜光学常数的椭偏测量

利用光谱型椭偏仪测量了镀在熔石英玻璃基片上的氟化镁薄膜在300～850nm波长范围内的椭偏参数.并利用Levenberg-Marquardt算法.反演出了氟化镁薄膜在该波长范围内的色散曲线.通过与纯氟化镁体材料的色散曲线比较,发现所镀的氟化镁薄膜的折射率略小于体材料的折射率.     

教学型椭偏仪测量各向异性单轴晶体光学参数的方法研究

椭偏仪是一种常用的现代光学测量仪器,在物理实验教学中常用于测量各向同性材料的折射率、表面薄膜厚度等光学参数。本文提出一种利用教学型椭偏仪测量各向异性单轴晶体折射率等光学参数的方法。采用多入射角的方法增加系统自由度,建立数值反演模型,获得各向异性单轴晶体光学参数,并实验测量了钒酸钇晶体的折射率等光学参数。使用教学型椭偏仪测量各向异性单轴晶体光学参数,拓展了原有教学仪器的实验范围,有助于激发学生对实验的兴趣。     

椭偏光谱测量中椭偏参数的灵敏度分析

在对椭圆偏振测量的基本原理进行了简单介绍和推导后,讨论了椭圆偏振测量中椭偏参数关于薄膜参数的灵敏度以及入射角对椭偏参数的影响,并进行了具体的仿真分析,得到如下结论：椭偏参数Delta对薄膜光学常数和薄膜厚度变化的灵敏度明显高于椭偏参数Psi。在椭偏数据处理中,椭偏参数Delta的测量精度直接影响薄膜光学常数和薄膜厚度的拟合精度。为了提高椭偏参数Delta的测量精度,可以选择入射角在膺布儒斯特角附近。所得结论对高精度椭偏测量具有指导意义。     

椭偏透射法测量氢化非晶硅薄膜厚度和光学参数

针对多角度椭偏测量透明基片上薄膜厚度和光学参数时基片背面非相干反射光的影响问题,报道了利用椭偏透射谱测量等离子增强化学气相沉积法(PECVD)制备的a-Si:H薄膜厚度和光学参数的方法,分析了基片温度T_s和辉光放电前气体温度T_g的影响.研究表明,用椭偏透射法测量的a-Si:H薄膜厚度值与扫描电镜(SEM)测得的值相当,推导得到的光学参数与其他研究者得到的结果一致.该方法可用于生长在透明基片上的其他非晶或多晶薄膜. 关键词： 椭偏测量 透射法 光学参数 氢化非晶硅薄膜     

椭偏光谱法研究溶胶-凝胶TiO2薄膜的光学常数

以钛酸丁酯为前驱体,采用溶胶-凝胶工艺成功制备了TiO₂薄膜.利用反射式椭圆偏振光谱仪测量了薄膜的椭偏参量Ψ和Δ,并用Cauchy模型对椭偏参数进行数据拟合,得到了薄膜的厚度和光学常数在380—800 nm的色散关系.用分光光度计测量了薄膜的反射率,并用干涉法计算薄膜的厚度;使用原子力显微镜观测了薄膜的表面微结构,分析讨论了不同退火温度处理的薄膜微结构与光学常数之间的关系.研究结果表明,Cauchy模型能较好地符合溶胶-凝胶TiO₂薄 关键词： 光学常数 2薄膜')" href="#">TiO₂薄膜 溶胶-凝胶 椭圆偏振     

椭偏精确测定透明衬底上吸收薄膜的厚度及光学常数

椭偏仪难以精确测量透明衬底上吸收薄膜光学常数的原因:1)衬底的背面反射光为非相干光, 它的存在会极大的增加拟合难度; 2)衬底光学常数(折射率和消光系数)的差异会影响测量的准确性, 而且会在吸收薄膜的光学常数中表现出来, 需要单独测量其光学常数; 3)厚度与光学常数之间呈现强烈的关联性. 针对以上三个问题, 选择石英玻璃、载玻片、盖玻片和普通浮法玻璃作为研究对象. 采用折射率匹配法消除上述衬底背面反射光的影响. 结果显示, 折射率匹配法能够有效消除折射率在1.43-1.64、波长范围为190-1700 nm波段的石英、浮法玻璃等透明衬底的背面反射光. 之后, 通过拟合椭偏参数ψ和垂直入射时的透过率T₀ 分别得到以上衬底的折射率和消光系数. 拟合得到的结果与文献报道的趋势一致. 最后, 采用椭偏参数和透过率同时拟合的方法(SE+T法)得到类金刚石薄膜(沉积在石英玻璃上)和非晶硅薄膜(沉积在载玻片、盖玻片上)光学常数和厚度的准确解.     

一种求解透明薄膜椭偏方程的新方法

介绍用测量得到的椭偏参数ψ和Δ求解透明薄膜折射率和厚度的方法。该方法引入一个新的目标求解函数,减少了搜索参量的空间的维数,改善了函数的性态和收敛速度,缩短了计算时间。最后给出应用实例。     

纳米尺度HfO_2薄膜不同厚度对光学性质的影响

Hf O_2薄膜厚度达到纳米级别时,其光学性质会发生变化。光谱椭偏仪能够同时得到纳米尺度薄膜的厚度和光学常数,但是由于测量参数的关联性,光学常数的结果不准确可靠。本文采用溯源至SI单位的掠入射X射线反射技术对纳米尺度Hf O_2薄膜厚度进行准确测量,再以该量值为准确薄膜厚度参考值。利用光谱椭偏仪测量Hf O_2膜厚和光学常数时,参考膜厚量值,从而得到对应相关膜厚的薄膜准确光学参数。研究了以Al2O_3作为薄膜缓冲层的名义值厚度分别为2,5,10 nm的超薄Hf O_2薄膜厚度对光学性质的影响。实验结果表明,随着Hf O_2薄膜厚度的增加,折射率也逐渐增大,在激光波长632.8 nm下其折射率分别为1.901,2.042,2.121,并且接近于体材料,而消光系数始终为0,表明纳米尺度Hf O_2薄膜在较宽的光谱范围内具有较好的增透作用,对光没有吸收。     

基于棱镜的椭偏法测量液体复折射率

通过引进等腰棱镜,利用椭偏测量技术实现了液体复折射率的精确测量.基于菲涅尔公式及椭偏测量原理,从理论上分析仪器测量得到的椭偏参数与棱镜-液体界面椭偏参数的关系,并讨论了测量液体折射率及吸收系数的精度.使用消光式椭偏仪,测量了水和印度墨水的复折射率,得到了样品的折射率、吸收系数随浓度变化的实验曲线,实验结果与参考文献基本一致.实验表明:棱镜椭圆偏振技术测量液体折射率及吸收系数的精度分别为0.000 4和0.000 3,适合于快速测量.     

多功能椭偏测厚仪

研究成功一台变入射角反射式消光法多功能智能椭偏测厚仪。实验表明 :仪器的测厚准确度为± 0 1nm ;椭偏参数Ψ和Δ的测量重复性精度分别为± 0 1°和± 0 3° ,适用于纳米级薄膜厚度和折射率的测量     

椭偏与光度法联用精确测定吸收薄膜的光学常数与厚度

介绍了一种同时利用椭偏仪和分光光度计精确测量薄膜光学常数的方法, 并详细比较了该方法与使用单一椭偏仪拟合结果的可靠性.采用可变入射角光谱型椭偏仪（VASE）表征了250—1700 nm波段辉光放电法沉积的类金刚石薄膜,研究发现当仅用椭偏参数拟合时,由于厚度与折射率、消光系数的强烈相关性,无法得到吸收薄膜光学常数的准确解.如果加入分光光度计测得的透射率同时拟合,得到的结果具有很好的惟一性.该方法无需设定色散模型即可快速拟合出理想的结果,特别适合于确定透明衬底上较薄吸收膜的光学常数. 关键词： 光学常数 光谱型椭偏仪 吸收薄膜 透射率     

Simplified Approach for Optimizing Optical Asymmetric Curved Waveguides of Broadband Directional Couplers

ABSTRACT

Optical broadband directional couplers (BDCs) are indispensable components for providing wavelength-insensitive and flexible optical splitting in the construction of functional photonic integrated circuits (PICs). The existing BDC device structures are usually required to determine specific design parameters for different waveguide structures and operating wavelength bands. To circumvent this dilemma, here we present a novel optimization procedure to realize a compact BDC by using the asymmetric curved waveguide structure. The versatile particle swarm optimization (PSO) technique is adopted to determine the optimal device parameters of the compact and broadband asymmetric curved directional couplers (ACDCs) for different coupling ratios. In order to reduce the computational complexity in the optimization, the 3D ACDC is first converted to an equivalent 2D structure by using the modified effective index method (MEIM). The device parameters of the equivalent 2D ACDC are optimized by the PSO with the objective function of a wavelength flattened coupling ratio. Afterward, the optimized 2D structure is converted to the 3D one by including the waveguide thickness. To cope with the approximation error by the MEIM, the 3D ACDC is further fine-tuned by sweeping one of the device parameters with the full 3D simulation but keeping all of the other optimal parameters obtained from the PSO intact. As a result, a DC with broad bandwidth of 100 nm is obtained over the wavelength range from 1.50 µm to 1.60 µm with a very small coupling length of 6 µm. The semi-optimized ACDC is used to construct an unbalanced Mach-Zehnder interferometer (MZI) and a Sagnac loop mirror (SLM), both of which show high extinction ratios of >25 dB over a broad wavelength range with low excess loss.     

Measurement of thicknesses and optical properties of thin films from Surface Plasmon Resonance (SPR)

The inverse problem for thin film properties is a challenge for nanotechnology engineering. We propose the application of a simple and intuitive numerical scheme: a basic particle swarm optimization (PSO) method, to solve the inverse problem from surface plasmon resonance (SPR) experimental results. The purpose is to retrieve unknown parameters from the measurement of the fall in reflectivity due to the excitation of a surface plasmon polariton at a metal/dielectric interface. In this case, the PSO results reveal the possibility of fully exploring the measurement results of experimental angular exploration of the reflectivity by multilayers.     

基于光谱和改进极限学习机的土壤含盐量分析

研究盐碱地的性质、组成,对于生态环境具有重要意义。传统的含盐量测定方法大多基于化学分析,因其成本高、效率低的缺点使得应用于大面积土地的可行性很低。极限学习机（ELM）作为一种基于前馈神经网络构建的机器学习系统,在许多研究中作为一种光谱处理方法被成功运用。为了改进传统的盐碱地含盐量检测方法,采用光谱学结合改进的极限学习机（ELM）模型的方法对盐碱地进行研究。根据镇赉县采集得到的62个土壤表层样本得到对应的光谱反射率和含盐量数据,提出了基于随机值改进粒子群优化算法（RVIPSO-MELM）优化的多层极限学习机模型。首先使用主成分分析提取光谱数据特征,并使用ELM算法对光谱数据建立分类模型,引入改进的粒子群优化算法以提高精度和速度。该模型结合了具有随机值的多层ELM（RV-MELM）和改进PSO算法的多层ELM（IPSO-MELM）二者的优点,在运用启发式算法搜索最优值的同时还具有随机性,提高了模型优化速度,同时以提高模型性能为目的对隐含层之间参数进行优化和选择。并且该模型可以推广到多层,对隐含层之间的参数的两种选择方法,根据经验公式计算和使用改进的启发式算法搜索,进行了提高模型性能和优化时间的讨论,实践结果表明,选择第一层参数使用改进粒子群优化算法,确定随后的隐含层之间参数选择,使用经验公式进行计算得到一种更具现实意义的方法模型。模型在进行启发式搜索最优值之前,利用蒙特卡罗方法确定一个较好的初值,使得模型能保持较高准确率的条件下,优化速度进一步提高。相比于传统方法,这种光谱分析结合ELM的模型节省时间和经济成本,有一定推广意义。     

Application of particle swarm+ant colony optimization to calculate the interaction parameters on phase equilibria

In this study, a hybrid particle swarm+ant colony optimization (PSO+ACO) was applied to solve the vapor–liquid phase equilibrium. The NRTL activity coefficient model was optimized with this new algorithm and the binary interaction parameters of twenty mixtures were obtained. The results were compared with the Levenberg–Marquardt algorithm, and show that the PSO+ACO algorithm is a good method to describe the vapor–liquid equilibrium of any binary system.     

一种基于粒子群优化的高斯混合灰度图像增强算法

提出一种采用粒子群优化(PSO)的高斯混合灰度图像增强算法。该算法首先采用高斯混合模型(GMM)对输入图像的灰度直方图建模,并采用模型中高斯成分的有效交点来分割直方图。随后,该算法将每个直方图区间的灰度值转换到合适的输出区间,生成增强后的灰度图像,其中转换函数由输入直方图区间的高斯成分和累积分布经过粒子群优化后的参数决定。实验结果显示,该方法生成的图像视觉效果较好,对原图像和纹理细节丰富图像分别进行图像增强,增强后的图像信息熵分别是4.746 6和7.952 6,灰度平均梯度为6.970 6和37.386 1。     

基于粒子群优化算法的自适应图像分割方法

提出了一种基于粒子群优化算法的图像分割新方法。粒子群优化(PSO)算法是一类随机全局优化技术,它通过粒子间的相互作用发现复杂搜索空间中的最优区域缩短了寻找阈值的时间。将PSO用于基于改进的最佳加权熵阈值法的图像分割中,试验结果表明,该方法不仅能够避免陷入局部极值,而且其速度得到了明显的改善,是一种有效的图像分割新方法。     

Polarization modulation imaging ellipsometry for thin film thickness measurement

A polarization modulation (PM) imaging ellipsometer is proposed and setup in order to measure precisely the thickness of thin film. Five images are collected sequentially by CCD camera with respect to five pre-determined azimuth angles of a quarter wave plate (QWP) during measurement. Then two-dimensional (2-D) distributions of the ellipsometric parameters ψ and Δ over the full dynamic range are obtained. Conceptually, PM imaging ellipsometer integrates the features of phase shift interferometry with conventional photometric ellipsometry by rotating the QWP sequentially to produce polarization modulation that is able to measure the thickness of a thin film in two dimensions precisely and quickly. The basic principle of PM imaging ellipsometer is derived wherein features such as common path configuration, full dynamic range of measurement, and insensitive to non-uniform response of the CCD are analyzed. The experimental results verify the ability and performance of PM imaging ellipsometer on 2-D thin film thickness, while the errors regarding the ellipsometric parameters measurements are discussed.     

Robust Controller Design for Multi-Input Multi-Output Systems Using Coefficient Diagram Method

The coupling between variables in the multi-input multi-output (MIMO) systems brings difficulties to the design of the controller. Aiming at this problem, this paper combines the particle swarm optimization (PSO) with the coefficient diagram method (CDM) and proposes a robust controller design strategy for the MIMO systems. The decoupling problem is transformed into a compensator parameter optimization problem, and PSO optimizes the compensator parameters to reduce the coupling effect in the MIMO systems. For the MIMO system with measurement noise, the effectiveness of CDM in processing measurement noise is analyzed. This paper gives the control design steps of the MIMO systems. Finally, simulation experiments of four typical MIMO systems demonstrate the effectiveness of the proposed method.