灵敏度控制思想在主动膜系设计中的快速实现算法

 基于斜入射薄膜制备实践中镀膜误差对光谱性能的严重退化影响的认识,提出了一种基于灵敏度控制思想的主动膜系设计方法。在深入分析了镀膜中膜层结构参数误差的分布规律的基础上,运用膜系光谱系数关于膜层参数的导数计算的解析模型,建立了膜系灵敏度的定量计算模型和快速实现算法。以一45°入射高精度消偏振增透膜的设计实验为例,探讨了灵敏度控制思想在膜系设计中的可行性、快速性和有效性。结果表明,这一新型设计方法不会显著增加程序时间消耗,能获得具有良好可镀制性能的薄膜,对于正入射和宽角度入射膜同样适用,而且可以避免昂贵的失败试镀和采样,有助于缩短新薄膜的生产周期,特别是对于高精度斜入射薄膜的重复性制备具有重要意义。     

规整膜系层厚允许误差的研究

提出了一种通过计算机模拟薄膜的淀积过程来计算规整膜系层厚允许误差的方法,所计算的层厚允许误差不仅取决于膜系的设计结构,还与薄膜的淀积工艺、镀膜设备的监控精度有关.实验结果表明:采用这种方法所计算出的层厚允许误差对于薄膜的实际镀制具有指导意义.     

屏蔽电磁波和红外的激光滤光片研制

为了研制具有高效电磁屏蔽功能的反红外、透1064nm激光的滤光片,基于金属薄膜诱导理论和多层薄膜的干涉原理,设计了诱导滤光膜的膜系结构,并讨论了金属Ag薄膜厚度误差对滤光片光谱性能的影响。采用离子束辅助沉积的方式制备膜系中的介质薄膜,采用离子束溅射方式制备了金属Ag薄膜;利用放大膜厚控制误差的方法,精确地监控薄层金属Ag膜的沉积厚度,同时避免了Ag膜被氧化。通过工艺实验,制备的滤光片在1064nm激光波长的透射率达到88%以上、中长波红外波段反射率达90%以上,对18～36GHz电磁波屏蔽效能达到23dB以上,具有良好的中长波红外及电磁波屏蔽功能。     

基于鲁棒右互质分解的直流伺服系统精确跟踪控制

对含有不确定性的直流伺服控制系统, 通过应用鲁棒右互质分解方法,设计了一种基于鲁棒右互质分解的精确跟踪控制系统;通常情况下,直流伺服系统中存在诸如非线性特性及参数辨识引起的模型误差和外界扰动,在设计的控制系统中,未知模型误差和外界扰动对系统性能的影响都被看作直流伺服系统的不确定性;在考虑到这些不确定性情况下,设计了一种基于鲁棒右互质分解理论的精确跟踪控制;首先在考虑未知的不确定模型影响系统性能指标的情况下,设计了一种基于演算子理论的反馈控制结构,此结构可以消除不确定模型的影响,在此基础上,设计了基于鲁棒右互质分解的鲁棒精确跟踪控制系统,得出精确跟踪条件;仿真结果表明使用提出的方法可以有效地消除不确定性,使得伺服系统具有很强的鲁棒性和精确跟踪能力。     

探测用宽截止红外双通道帯通滤光片的设计及误差分析

为满足探测1,2丙二醇二硝酸脂有毒气体浓度的红外探测元件抑制带截止深度深、通带内平均透射比高、波纹系数小等要求,采用等效折射率理论与局部优化相结合的设计方法,选用PbTe/ZnSe作为高低折射材料,采用长波通膜系、短波通膜系以及双半波膜系设计了截止深度深、双通道、通带宽度合适的红外滤光片,通带分别为5.9～6.2μm及11.9～12.2μm,通带内平均透射比分别在90%及65%以上;对所设计的膜系进行了薄膜物理厚度和膜层折射率的误差分析。分析表明,薄膜制备时沉积速率精度应控制在3.5%以内,材料折射率的变化应控制在3%以内,与膜层折射率相比,薄膜物理厚度对平均透射比的影响小,并且双半波膜系对厚度以及折射率变化更敏感。     

三维腹腔镜端面宽带增透膜的研制

根据由多组镜片组成的三维腹腔镜对高透过率和不失真成像的要求,研究并选择了合适的薄膜材料;采用电子束真空镀膜加以离子辅助沉积系统,利用膜系设计软件完成了宽带增透膜的非周期膜系设计。通过调整镀膜工艺参数并采用光控与晶控同时监控的方法,减少了膜厚控制误差,成功地在多组镜片上镀制了宽带增透膜。测试试验显示,制备的膜层在400～700 nm波段的平均反射率〈0.5%,而且颜色不失真,膜层牢固,抗腐蚀效果较好,满足医用光学仪器的使用要求。     

双通感红外日夜两用型滤光膜的研制

选取二氧化钛与二氧化硅作为薄膜材料,借助膜系设计软件优化设计膜系。采用离子源辅助沉积的真空镀膜方法,通过调整镀膜工艺参数,减少膜厚控制误差,在石英基底上成功镀制了符合使用要求的多波段滤光膜。所镀膜层在420～640 nm与近红外920～960 nm波段的平均透射比大于95%,680～880 nm和990～1100 nm波段的平均透射比小于3%,能够承受恶劣的环境测试,完全满足红外夜视摄像机的使用要求。     

结合傅里叶变换合成法设计均匀薄膜

基于傅里叶变换合成法的基本原理,合成了一个K9基底上的负滤光片,合成的渐变折射率薄膜具有期望光学特性,但实际制备难度很大,因此将其细分为足够多层离散折射率的均匀薄膜,由于实际薄膜材料种类有限,不能获得任意折射率膜层,鉴于两层高低折射率薄层可近似为一层中间折射率膜层的思想,将膜系转化成一个可实际制备的膜系结构:膜系采用ZrO2和SiO2两种膜料,膜层总数为183层,经单纯形调法优化后,膜层总厚度为7.09 μm,通带和截止带内平均透射比分别为97.56%和3.13%,其结果优于直接采用傅里叶方法合成的非均匀膜系,与期望透射比曲线吻合更好.说明通过这种思想设计任意光谱特性的膜系是可行的,也使傅里叶变换合成法设计的薄膜实际制备成为可能.     

二阶关联成像系统宽光谱吸收膜研制

为满足关联成像系统抑制背景的需求,选用Al、Cr和SiO_2作为镀膜材料,依据薄膜吸收理论,结合膜系设计软件设计了宽光谱吸收膜,并采用真空沉积技术获得了该薄膜样品.通过真空阶梯式退火,减小了膜层内应力,解决了薄膜牢固度问题;采用交互式分析对测试结果逆向反演,通过优化工艺参量,使膜系中敏感薄层厚度得以精准控制,并减小了膜厚控制误差.制备的吸收膜在400~1 100nm波段平均吸收率达到99.1%,满足系统使用要求.     

两层介质减反膜及其在半导体光电器件中的应用

本文提出了两层介质减反膜的膜系设计方法,导出了用于半导体激光放大器的最佳减反膜系参数,分析了膜层厚度误差对膜系特性的影响,并在行波半导体激光放大器及光探测器上得到了满意的试验结果。     

以模拟计算的制造成品率为最终评价指标的光学薄膜自动设计

本文提出了一种自动设计思想,即在多层膜设计过程中考虑监控误差对多层膜光学特性的影响。在自动设计的评价函数中不仅包含了膜系的光学特性,而且还包含了计算机模拟的制备成品率,并以最高的生产成品率作为最终的优化目标。用这种方法设计出的膜系不仅满足光学特性要求,而且具有较大的制造允差,便于最经济地组织生产。以宽带减反射膜,可见光加1.06μm的双波段减反射膜为例进行了自动设计,设计结果是令人满意的。     

基于粒子群优化算法的膜系设计方法

粒子群优化算法是一种新的演化计算技术,与遗传算法相比,粒子群优化算法具有易于实现,控制参量少等优点,且在大多数的情况下,可快速收敛于最优解.为了获得更优的膜系结构,本文提出了一种利用粒子群优化算法进行膜系设计的方法,并以增透膜、高反膜及分光膜为优化设计实例验证该方法的可行性.在这些实例中,以理论反射率和实际反射率的误差平方和为评价函数.结果表明,将粒子群优化算法用于膜系设计是有效的,在相同设计条件下,应用粒子群优化算法可以得到比遗传算法更优的膜系结构.     

基于粒子群优化算法的膜系设计方法

粒子群优化算法是一种新的演化计算技术,与遗传算法相比,粒子群优化算法具有易于实现,控制参量少等优点,且在大多数的情况下,可快速收敛于最优解.为了获得更优的膜系结构,本文提出了一种利用粒子群优化算法进行膜系设计的方法,并以增透膜、高反膜及分光膜为优化设计实例验证该方法的可行性.在这些实例中,以理论反射率和实际反射率的误差平方和为评价函数.结果表明,将粒子群优化算法用于膜系设计是有效的,在相同设计条件下,应用粒子群优化算法可以得到比遗传算法更优的膜系结构.     

膜系光谱系数对膜层参数的一阶和二阶偏导数的计算模型

为了寻找一种膜系深入分析与设计的有力辅助计算工具,从光学薄膜光谱系数的矩阵计算理论出发,基于对矩阵求迹运算的巧妙运用,从数学上建立了准确计算膜系光谱系数关于膜层几何厚度、实际折射率和消光系数等膜层参数的一阶和二阶偏导数的解析模型。这一偏导数计算模型物理上与矩阵理论具有一致的通用性和普适性,适用于任何各向同性的均匀膜系统。在数学上也严格成立,数值编程计算不存在差分近似,精度达到了计算机浮点运算的极限精度。而且算法运算费时少,计算速度快,取得了高度准确性和便于实时化的双重优越性能,非常有利于应用于膜系设计领域来提高膜层数较大时的设计速度和效率。同时,这一模型能非常便捷和准确地给出膜系许多实用的导数信息,对膜系分析、测量和膜厚监控等领域中的相关应用具有重要的参考意义。     

Optimal Design of Multilayer Mirrors for Water-Window Microscope Optics

A small bandwidth of periodic multilayers at wavelengths 2.4–4.4 nm presents problems for the spectral matching of mirrors. This leads to low throughput of a Schwarzschild microscope and its sensitivity to technological errors in layer thickness. We consider two cures for these difficulties: aperiodic coatings and a lateral gradient of layer thickness. Our design of aperiodic multilayers maximizes the throughput of a microscope made at a fixed level of technology. The method includes a new merit function, fast procedure for its minimization, linkage between multilayers and an equation for a lateral gradient of layer thickness. Computation is performed for Sc/Cr coatings at 398 eV. It shows that the aperiodicity makes optics stable to technological errors, while the lateral gradient increases throughput, but enhances sensitivity to the errors. The best results are obtained for aperiodic mirrors with a lateral gradient of thickness, which assure both high microscope throughput and stability to the errors.     

一种新的膜系设计方法——Needle法

Ｎｅｅｄｌｅ法是一种先进的膜系设计方法，它克服了传统优化方法容易陷入局部极值的缺点，通过在膜系中插入薄层，使得评价函数降低，优化设计可以从任意给定的一层膜开始，文中给出了其数学模型及详细的推导。     

膜系优化设计中的模糊输入及评价函数的改进

为建立更为合理科学的目标光谱函数,从而改进膜系的自动设计,在进行理想光谱曲线输入时,对光谱反射比或透射比要求不严格的波段不进行精确输入,只输入一个区间范围;要求严格匹配的波段,按点输入准确值。同时,评价函数的构造根据波段要求的严格与否做不同的变形。采用改进以后的方法设计的膜系与原来的膜系相比,层次减少,而且设计时间缩短。采用模糊输入法,对评价函数的构造做相应的变形,可以改进膜系的自动设计。     

薄膜光学参数表征误差处理技术

针对光度测量数据中难以消除的系统误差对薄膜光学参数表征精度的负面影响,提出一种新型的误差处理技术。选取薄膜光谱系数对折射率和几何厚度的一阶偏导数,对大部分测量入射角满足符号相反或只有其中一个为零的条件的波段,剔除偏导数对全部测量入射角满足符号相同或同时为零条件的奇点波长附近波段,作为反演表征用的光度测量数据采集区域,以最小化光度测量系统误差引起的薄膜光学参数反演表征值相对真实值的偏差大小。通过数值模拟实验,对比研究了该技术对不同偏振光和不同测量入射角范围的适用性及实施技巧,以可复现的数值实验数据和合理的理论解释支持和验证了这种误差处理技术的可靠性。     

An efficient and robust reconstruction method for optical tomography with the time-domain radiative transfer equation

An efficient and robust method based on the complex-variable-differentiation method (CVDM) is proposed to reconstruct the distribution of optical parameters in two-dimensional participating media. An upwind-difference discrete-ordinate formulation of the time-domain radiative transfer equation is well established and used as forward model. The regularization term using generalized Gaussian Markov random field model is added in the objective function to overcome the ill-posed nature of the radiative inverse problem. The multi-start conjugate gradient method was utilized to accelerate the convergence speed of the inverse procedure. To obtain an accurate result and avoid the cumbersome formula of adjoint differentiation model, the CVDM was employed to calculate the gradient of objective function with respect to the optical parameters. All the simulation results show that the CVDM is efficient and robust for the reconstruction of optical parameters.