RP膜层 -设计光学多层结构的高级软件

软件的功能

RP 膜层可以计算光学多层结构的性质：可变波长和入射角的反射率和透射率，还有群延迟，色散和内部电场分布。 结果可以以图形方式显示，并且可以进行复杂的数值优化。

在描述底层物理模型的页面上给出了更多细节。 该软件在Microsoft Windows下的普通PC上运行。

应用

RP膜层可应用于各种不同类型的光学器件：

- 介质镜，包括啁啾镜（例如具有极高带宽的最先进的双啁啾镜设计）或其他类型的色散镜（例如GTI）
- 光学滤波器（短通和长通边缘滤波器，带通滤波器，单片和空气间隔标准具，滤光片和其他类型的干涉滤波器）
- 标准具（单片和空气间隔）
- 增透膜层，包括先进的多层结构，例如， 采用蒙特卡罗技术
- 薄膜偏振片（平板偏振片，偏振立方体）
- 半导体结构，例如SESAM和VECSEL增益结构

对于此类设备，它可以帮助您执行以下操作：

- 分析现有的膜层设计，例如用于检查制造公差
- 寻找在各方面都得到优化的设备设计
- 完善对工作原理和基本限制的理解

目标群体

RP膜层非常适合以下机构：

- 制造多层膜层的工业公司，或获得其他人制造的多层膜层的工业公司
- 研究实验室，详细探讨了这些设备的各个方面
- 教育机构，对此类设备形成扎实的技术理解

无论如何，RP膜层将为您提供实质性的竞争优势，因为您的工作将更加有效和高效：您将有能力快速可靠地找出各种设计方法的工作原理，它们的局限性以及如何获得 最佳性能，同时避免过度关键的制造公差。

RP膜层 -设计光学多层结构的高级软件

物理模型

在由不同材料制成的一系列层组成的光学薄膜多层结构中，不同层之间界面处的折射率对比度导致光学反射。 来自许多不同界面的这种反射相互干扰，并且总体上可以获得相当复杂的情况。 根据所涉及的波长和偏振方向，器件的整体行为可能非常不同。

RP Coating使用有效的矩阵形式来计算所提到的干涉效应。 但是，用户不必以任何方式处理这些细节; 只需要提供膜层结构的描述以及用于确定优化，图形输出等的进一步输入。

这里限制很少：

- 可以在可获得折射率数据的全波长范围内进行计算。
- 导致全内反射的大入射角是没有问题的。
- 除入射光束来自的介质外，所有材料都可能有光学损耗。
- 所有材料都需要是光学各向同性的，或以其它方式定向，使得具有折射率的简单描述是正确的。

该模型允许具有附加参数的光学材料 - 例如，填充密度或化学成分参数 - 其影响折射率。 例如，这允许人们设计滤光片，其中折射率是连续变化而不是逐步变化。

材料数据

必须具有所有涉及材料的折射率数据。 该软件随附各种常用材料的数据。

由于使用的脚本语言具有很大的灵活性，用户可以轻松添加更多的材料数据。 对于每种材料，人们定义了与波长相关的折射率的函数，并且可能定义了与波长相关的光学损耗的另一函数。 例如，Schott SF8玻璃的折射率可以定义如下：

            n_SF8(lambda) :=
             { high-index Schott glass, data from Schott catalog }
             begin
             const B1 = 1.49514446,
                   B2 = 2.62529687e-1,
                   B3 = 9.69567597e-1,
                   C1 = 1.14990201e-2,
                   C2 = 5.17170156e-2,
                   C3 = 1.13458641e2;
             var l2;
             l2 := (lambda / 1e-6)^2;
             sqrt(B1 * l2 / (l2 - C1) + B2 * l2 / (l2 - C2) + B3 * l2 / (l2 - C3) + 1);
            end
        

当然，使用列表数据也没问题。 例如，可以将这样的数据从文本文件读取到数组中并定义一个从该数组提供内插值的函数。

以下是具有组成参数x的半导体材料（AlxGa1-xAs）的示例：

            n_AlGaAs(l,x) :=
            { Refractive index of AlGaAs for wavelength l in nm; x = content of Al (e.g. 0.25 for 25%). }
              Data from M. A. Afromowitz, Solid State Commun. 15, 59 (1974). }
            begin
            var E0, Ed, Eg2, eta, Ef2, M1, M3, E2;
            E0 := 3.65 + 0.871 * x + 0.179 * x^2;
            Ed := 36.1 - 2.45 * x;
            Eg2 := (1.424 + 1.266 * x + 0.26 * x^2)^2;
            eta := pi * Ed / (2 * E0^3 * (E0^2 - Eg2));
            Ef2 := (2 * E0^2 - Eg2);
            M1 := (Ef2^2 - Eg2^2) * eta / (2 * pi);
            M3 := (Ef2 - Eg2) * eta / pi;
            E2 := (h * c / (l * 1e-9) / e)^2;  { photon energy }
            sqrt(1 + M1 + M3 * E2 + eta / pi * E2^2 * ln((Ef2 - E2) / (Eg2 - E2)));
            end
        

当然，每个层的x值可能不同。

计算速度

RP膜层非常优化，不仅为了方便，而且为了高速数值计算。 这通过使用已经有效实施的优化算法来实现。 大量计算时间仅发生在需要改变大量参数的数值优化中。

RP膜层 -设计光学多层结构的高级软件

RP膜层的版本历史

多年来，该软件一直受到广泛的开发计划的约束，这极大地扩展了其功能以及用户界面的质量。

V1
这是原始版本。

V2
版本2引入了用户界面的实质性改进。

V3
版本3允许用户创建以脚本定义的自定义表单，即以文本形式。 这意味着可以根据特定应用定制交互式表单。 下面的屏幕截图只是包含选项卡和图形控件的自定义表单的示例。

下面您将看到用于定义自定义表单的部分代码。 简单但灵活的命令定义编辑哪些变量，显示哪些单位，最小和最大允许值是多少等。

            Custom form:
            --------------------------------------------------------------
            $font: "Arial", bold, size = 24
            Bragg Mirror
            $font: "Courier New", size = 11, space = 2.1
            $def pwidth := 505
            $box "Inputs", size = (pwidth, 0):
            Material 1:             ##################
            $input (combobox: "SiO2", "TiO2", "HfO2", "ZrO2") material1$
            Material 2:             ##################
            $input (combobox: "SiO2", "TiO2", "HfO2", "ZrO2") material2$
            Bragg wavelength:       #############
            $input l_Bragg_m:d6:"(n)m", min = 100e-9, max = 10e-6
            Number of layer payers: #############
            $input N_Bragg:f0, min = 0, max = 1000
        

您可以自己制作此类表格，或通过技术支持制作，然后享受非常方便的日常工作处理。 当给出这样的表格时，任何人都可以很容易地完成某些计算而不用自己处理底层脚本代码。 如果以后需要其他功能，只需相应地扩展表单即可。

V4
版本4引入了各种功能强大且非常有用的工具来开发脚本：

--有许多改进的脚本编辑器具有非常方便的功能，例如语法突出显示：命令或功能的识别名称和关键字用不同的颜色突出显示。此外，软件以不同方式显示注释和字符串常量等内容。
--为了便于调用许多支持函数的必需参数，我们引入了所谓的参数帮助。如果您只键入一个函数名称后跟“（”到编辑器中，您将得到参数帮助；您也可以稍后单击一个函数参数来获取它。
--您可以快速调用脚本的语法检查而不执行它。
--您可以根据标准规则自动重新格式化脚本。这样，即使您在编写它们时有些草率，您也可以获得一致的格式化，从而获得可读性很好的脚本。
--使用新的调试器，您可以按命令执行脚本，并随时检查系统的状态。只需单击一下左键即可创建断点（以绿色显示，请参见下面的屏幕截图）。同样，您可以调试表达式。这在开发复杂的仿真脚本时非常有用。

在RP Fiber Power（适用于V7）的版本历史中，您可以找到与RP Coating V4相同特征的屏幕截图。

RP膜层 -设计光学多层结构的高级软件

用户界面的基本概念

RP膜层程序不仅可以从对话框和表格中获取输入，还可以从脚本中获取输入，该脚本可以使用内置编辑器进行编辑。当脚本被“执行”时，软件会读取所有包含的命令。如果成功完成，可以使用图表显示结果。此外，文本形式的输出可以在表单中，在图形图表中显示，或者写入文本文件或二进制文件。

虽然具有纯图形用户界面的竞争程序可能看起来更好，但它们在灵活性方面无法与RP Coating竞争：

- 在RP膜层中，膜层结构不必作为表格进入（这可能是繁琐的），但是可以用环来构造，例如，其中层厚度值可以用数学表达式系统地变化（见下文）。
- 人们可以很容易地将整体设计的不同部分组合在一起 - 例如，布拉格镜，间隔物和一些额外的顶层。整体设计可以轻松参数化。
- RP膜层允许您使用评价因数函数的任意数学形式进行优化。其他程序通常只允许输入预定品质因数函数的参数。 - 您可以轻松实现其他计算 - 例如，某些角度范围内的平均量或检查超短脉冲的影响。
- 对于图形输出和文本输出，脚本语言再次提供了巨大的灵活性；无论什么你想象的有用都可以实现 - 通常只需几行脚本代码。
- 当然，您可以在脚本内部和脚本之间进行复制和粘贴，这比通过多种表单并再次输入要简单得多。

开始并不困难：您可以从其中一个演示文件开始，根据需要进行修改，使用功能强大的文档，如果遇到任何困难，可以提供合格的技术支持。

从V3开始，人们甚至可以在脚本中定义自定义表单（见下文）。此功能允许将脚本语言的巨大灵活性与用于输入和输出数据的表单的良好处理相结合。

脚本语言

RP膜层采用非常强大的脚本语言进行控制。 每个输入脚本都包含从多层结构的定义到要进行的计算以及生成的图形的所有内容。 （当然，您可以将常用的脚本部分存储在外部文件中，并在主脚本中轻松调用它们。）

一些代码片段向您显示脚本语言易于使用。

简单的布拉格镜

第一个示例显示了如何定义简单的Bragg镜像：

            l_Bragg := 1000 nm  { Bragg wavelength }
            N_Bragg := 8  { number of layer pairs }

            beam from superstrate
            substrate: BK7
            for j := 1 to N_Bragg do
            begin
            * SiO2, d = l / 4 at l_Bragg
            * TiO2, d = l / 4 at l_Bragg
            end
            superstrate: air
        

啁啾镜

第二个例子显示了啁啾镜的定义，其中所有层厚度值在膜层内系统地变化：

            l_Bragg0 := 1000 nm  { Bragg wavelength in the middle }
            dl := 5 nm  { change of Bragg wavelength with each layer pair }
            N_Bragg := 8  { number of layer pairs }
            l_B(j) := l_Bragg0 + (j - N_Bragg / 2) * dl  { Bragg wavelength for layer pair j }
            d_SiO2(j) := (var l; l := l_B(j); l / 4 / n_SiO2(l))
            d_TiO2(j) := (var l; l := l_B(j); l / 4 / n_TiO2(l))

            beam from superstrate
            substrate: BK7
            for j := 1 to N_Bragg do
            begin
            * SiO2, d = d_SiO2(j)
            * TiO2, d = d_TiO2(j)
            end
            superstrate: air
        

您可以看到实现不同类型的啁啾，添加更多层等等是直截了当的。通常不会为竞争产品获得灵活性。

数值优化

最后，我们展示了一些用于数值优化的代码：

            l_HR := 1064  { HR wavelength }
            l_HT := 808   { HT wavelength }
            FOM():= { merit function }
              sqrt(sum(d := -20 to +20 step 5, T(l_HR + d)^2)
                  +sum(d := -20 to +20 step 5, R(l_HT + d)^2))
            optimize coating for minimum of FOM()
        

对于在1064nm附近消失透射并且在808nm附近消失反射率的镜子，定义的评价函数将为零 - 这是用于将泵浦光注入Nd：YAG激光器的二向色镜的设计目标。

自定义表格

自V3起，RP Coating提供可根据您的特殊需求量身定制的表格。 这样的表格可以在脚本中定义 - 如果您愿意，可以自己定义，或者我们在技术支持内为您完成。

请参阅单独的页面，详细说明自定义表单。

脚本编辑

为了编辑脚本代码，该软件提供了强大的编辑器和相关工具。 屏幕截图显示了一个编辑器：

这些编辑器的一些很棒的功能：
- 多级撤消/重做功能
- 语法突出显示：识别的命令或函数名称，关键字，注释等以不同颜色显示。 这使得理解结构更容易。
- 参数提示：如果键入函数名后跟括号，编辑器将显示所需参数列表的信息。 这样，使用数百种支持的功能变得更加简单。
- 语法检查：您可以快速检查脚本的语法而不执行它。
- 代码片段库：您可以轻松地将某些经常使用的代码部分插入到脚本中。 （请参见下面的屏幕截图。）用户可以创建自己的代码片段作为该库的扩展。

自定义表格

自V3起，RP Resonator提供可根据您的特殊需求量身定制的表格。 这样的表格可以在脚本中定义 - 如果您愿意，可以自己定义，或者我们在技术支持内为您完成。

请参阅单独的页面，详细说明自定义表单。

图形输出

您的脚本可以定义几个图表，以便可视化计算结果。 各种示例案例的页面上显示了示例。 每个图表都显示在一个单独的窗口中，该窗口还允许您使用一个或两个光标测量位置，以GIF或PNG格式保存图形，以及将图形复制到Windows剪贴板。 下面您将看到这样一个图形窗口的示例，显示不同波长的布拉格反射镜中出现的光强度。

综合文件

RP Coating带有非常好的文档，即使在进行复杂的建模时，您也可以快速启动并高效工作： 有一本PDF格式的手册，详细解释了（大约40页）物理模型的原理，用户界面，脚本语言等。

上下文相关的在线帮助功能更加全面。 请参阅下面的屏幕截图以获得印象。

技术支持

任何剩余的问题都可以通过技术支持来解决。 我们确保您可能遇到的任何问题很快得到解决。

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RP膜层模型的演示

各种示例案例说明了使用薄膜设计软件RP Coating可以做些什么：
- 布拉格镜（综合分析设计）
- 二向色镜（采用数值优化设计）
- 双波长增透膜层（蒙特卡罗优化）
- 空气间隔标准具（包括超短脉冲传输分析）
- 具有热效应的标准具（表现出双稳态行为）
- 薄膜平板偏振器（数值优化）
- 偏振立方体（数值优化）
- Gires-Tournois干涉仪（包括超短脉冲传输分析）
- 滤光片（具有复杂结构的参数化）
- 将层数据拟合到测量的反射率光谱
（点击链接获取详细信息。）

这些输入脚本和其他一些演示案例与软件一起提供。为了便于在新项目中启动，您只需复制最接近感兴趣案例的演示文件，并根据您的需要进行修改。

一些图像（取自演示文件）

图1：布拉格反射镜的反射率与波长和入射角的关系。

图2：布拉格反射镜内部和周围的光强度。

图3：数值优化的二向色镜的设计。 层厚度值略微偏离起始设计的那些，开始设计是布拉格镜。

图4：一组具有随机变化的制造误差的增透膜层的反射光谱。

图5：空气间隔标准具的透射率与波长和入射角的关系。

图6：空气间隔标准具的光强度。

图7：Gires-Tournois干涉仪中和周围的光强度。

图8：在Gires-Tournois干涉仪上反射的超短脉冲。

图9：在Gires-Tournois干涉仪上反射的超短脉冲。