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工具

?Essential Macleod包含大量的工具。主要有:

(1)Core: 设计编辑器,数据、目标等编辑器,输入/输出,材料管理,性能计算,优化和综合(Refinement and synthesis), 输出到ZEMAX, 导纳轨迹(Admittance loci), 电场,辅助设计,

(2)vStack: vStack编辑器, vStack性能计算- 计算非平面平行(non-parallel-sided)基底和薄膜性能,

(3)Runsheet: 机器配置和(Machine Configuration) Runsheet 编辑器,

(4)Monitorlink: 特殊的Runsheet配置,输出监控程序,与特定控制器连接的标准工具( Free standing tool) ,(5)Function:操作编辑器(Operation editor)和语法检查程序(syntax checker), 函数求值程序(Function evaluator),

(6)Simulator: 沉积过程模拟器(Process deposition simulator),

(7)DWDM Assistant: 带通滤波器设计(bandpass filter designs)。

.dds:设计文件.npl:绘图文件.tbl:表格文件.moc:光学数据

.dst:堆(stack)文件.np3:3维绘图文件.pmx:pmx文件

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File介绍-New…

(1) Design:弹出带有缺省设计的设计窗口

(2)Material:弹出一个建立新材料的表格窗口,可以输入光学常数和波长等数据,

(3)Optical Constant:通过输入的数据得到反射率和透过率曲线,

(4)Table:建立一个只读空白表格,栏目自定义,

(5)Stack:打开基底和膜层合并的设计和分析的文本窗口,

(6)vStack:打开不平行基底和膜层合并的设计和分析的文本窗口,

?Open:打开已经有的薄膜文件,

?Open Material:列出所有可以选择的材料,

?Open Substrate:打开基底文件,表格中显示不同波长的内透过率或密度,

?Open Reference:打开参考文件。参考文件包含如颜色评介方面所需要的数据

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?

?Materials:打开材料数据表,双击表中任何一个材料,都会弹出这个材料的波长和折射率数据,?Load ZEMAX Coating File:其数据可以与zemax交互使用,

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Options介绍--General

(1)Data Sources :上面的是当前材料文件夹的路径;下面是参考文件夹的路径。

(2) Windows:选择Cascading Close时,当一个设计窗口关闭时,相关的图表窗口都一起关闭;当选择Prompt to save old Tables and Plots before closing box 时,会在关闭图表前提示是否存盘。选择Keep old Plots and Tables displayed时,打开新的设计时,原来设计的图表仍然存在。

?Plotting 图形坐标轴和绘图的定制。

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Cone

?控制Stack Editor提供的cone计算,Nominal Cone Segment Length :计算特定波长、频率和入射角时的cone响应时,控制Cone用的适应计算。与Nominal Plot Segment Length 类似。

?Bandwidth Step:带宽不为0时,控制步长,

?Gaussian Calculation Scale Factor :缺省值是2,此时,光束的强度降为轴上的0.0003倍,对大多数的情况可以了,越大,计算越久。

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Design

控制显示的膜层顺序和计算公式顺序等

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Chart Style

Chart Styles :定义绘图数据的风格。包括颜色、线型等

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General Units

定义各种量的单位。

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DESIGN WINDOW 设计窗口

?选择new>>design进入设计窗口(整个主菜单相应变了):

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?(在file>>display setup中设置此表格的显示栏目)

膜层编辑-Formula

?Formula可以用简化符号编辑薄膜,特别是输入膜层数据很方便。用符号:H, L, A, B, c, d 等表示。

?膜层厚度表示为基本厚度(basic thickness)的积,如2.5H or 0.4L (如果基本厚度为0.25,则分别表示

2.5*0.25 = 0.625 full waves和0.4*0.25 = 0.1 full waves) 。

?符号可以表示成一个简单的序列或重复的序列,如:(HL)^6 3.4H2.1L或((H1.2L2B)^2 HL)^3 (LBH)^2。

Formula窗口

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Generate Rugate…

?用这个命令容易生成一个有皱褶膜(rugate coatings)模型。

?用大量的分离的变化的折射率层模拟皱褶膜的连续变化的折射率。折射率的变化用改变每层的packing density 来实现。

?Generate Rugate命令可以容易地指定折射率变化,并且控制模拟皱褶结构的层的数目。

膜层厚度(thickness)

?可以是光学的(optical), 几何的(geometrical), 物理的(physical)或QWOT。

?(1)物理厚度:按物理单位(通常是nm)测量的。这种厚度可以转换为晶振监控规格,或溅射线上的沉积时间,

?(2) 光学厚度:物理厚度乘以材料的折射率,即光程,再除以参考波长。光学厚度乘以2p就是位相厚度(单位为弧度)。常用光学厚度,

(3)QWOT厚度:其数值为4倍光学厚度,

?(4)几何厚度:物理厚度除以波长。

光学厚度->物理厚度

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Scale Thicknesses...

?偶尔有某些材料的厚度要按同样的方法改变。

?当研究不均匀性时,或需要对通或禁带进行微调时,经常要这样做。

?有时候要保持特殊参考波长的值,但要将所有膜层厚度按同样的比例改变。都可以用这个命令容易实现。

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Match Angle...

设计时光线都是垂直入射的,但如果是倾斜的,则需要调整相应的薄膜厚度。此命令可以自动调整这个厚度。

Global Edit…

?改变设计中的所有膜层或只改变所选择的膜层。

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Edit Materials...

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Performance

设置绘图的参数。

3D Performance...

?定义3D坐标轴。

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Plot Over

?将同个设计的多根曲线画在一起。

?将不同设计结果的曲线画在一起

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?属于只读表格。

?如果需要改动,可以将Edit菜单里的Read Only复选钩去掉。

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Errors分析

?Mean和standard deviation可以是Absolute或Relative. 通常选择相对的,此时误差与膜层厚度成正比。

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Color

颜色计算的设置。

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?画一个3D plot。坐标轴的具体的设置在Parameters>>3D performance里面。

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Lock/Link Menu (Design)

用于refinement 和synthesis 过程。

Lock:如果layer 锁定了,则不参加优化,保持其初始的厚度值。

Unlock:取消锁定,

Link:二个或几个膜层建立关联。

TOOLS-Compact design

?设置最小允许的膜层厚度。软件会将厚度小于设置值的膜层去掉,并关闭设计。

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Refine Design

提供的优化方法有:

?Simplex, (通常叫nonlinear simplex)

?Optimac,

?Simulated Annealing,

?Conjugate Gradient,

?Quasi-Newton,

?Needle synthesis。

Index Profile

?绘出折射率-厚度曲线。下图中显示的是quarter-half-quarter抗反射膜的折射率曲线。左边是入射介质,右边是出身介质或基底。

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产生Rugate 薄膜

?Material中设置的膜层中允许的最高折射率,

?V oid Material 中是膜层中允许的最低折射率。

?V oid Density设置为1.

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Rugate 薄膜举例

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Refinement和synthesis

?可以自动优化设计,它们的操作是类似的

?Refinement一般是对已有的设计进行轻微的调整,

?synthesis 则着重于结构,即使没有初始结构也可以操作。Targets for refinement

?包含三种目标:

?Standard,

Standard Targets

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Standard Target的设置

?Wavelength:工作波长,单位nm,

?Incident Angle:按定义的单位。如果不是0,则可以选择偏振分量。

?Weight:权重。缺省值为1,

?Target Tolerance :每个目标值可接受的公差值,

?Derivative :给出相对于第一栏中自变量(波长或频率)的目标类型的偏差的等级,如果是0,表示没有偏差。

?Link:指定目标值之间的联系。

Color Targets的设置

?color targets:除了类型是颜色方面的外,其它各项的意义和标准目标是一样的。还需要指定光源分布和观察者。

?mode:指定是计算透射还是反射的颜色。对stacks, 还有一个模式就是Back Reflectance.它计算出射介质一端反射的颜色,对vStacks, 只有throughput模式。

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Thickness Targets

?显示材料和所要求的总厚度。当有一个或多个总厚度目标,refinement试图移去材料的总厚度,达到要求的厚度,同时又去满足其它要求。

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Refinement and Synthesis

?有六种方法:

(1)Simplex,

(2)Optimac,

(3)Simulated Annealing,

(4)Conjugate Gradient,

(5)Quasi-Newton

(6)Needle Synthesis.

Simplex 提供直接的优化,Optimac 可以refinement 和synthesis, Simulated Annealing 优化,但可以在一个很大的参数空间范围,Conjugate Gradient和Quasi-Newton是化方法,它们是用信息(derivative information )来进行优化。Needle synthesis方法是增加膜层。

Simplex refinement

?Simplex refinement计算速度非常快。通过对初始膜层和/或packing densities进行扰动。

?通常,设计的总数目会比层数多一个,packing densities最小为5。采用迭代的方法,用好一些的设计结果替代最差的设计。

Simplex refinement的设置

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Simplex 设置说明

?可以选择Refine Thicknesses 和Refine Index ,

?用Packing Density作为变量优化折射率,

?用upper和lower thickness limits控制厚度,

?用packing density limits控制packing density。Common Scaling,如果选定,则相同材料的所有膜层的packing densities移到一起。Inhomogeneity可以通过至少二个有各自不同的packing density的膜层来模拟。

?因为这种方法很快,所以建议迭代的次数设定为几千,

?优化过程会自动显示曲线。

Simplex 过程

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Optimac优化参数设置对话框

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Optimac设置-优化参数

?Optimac有很多小面facets。可以适用于synthesis 和refinement.

?Optimac对膜层厚度没有限制,只要不为负就行。

?通过设置Number of Synthesis Cycles 的值,确定是否refinement 或synthesis 。如果为0,则只进行refinement 。如果没有初始结构,取50左右比较合理。如果有好的初始结构,可以用比较低的值。?Synthesis Step:表示插入到synthesis过程的膜层厚度。可以设置得很大,但通常在0.1~0.3比较好。?Synthesis Parameter :决定在synthesis 操作中,改变是否保持。对比较好的初始结构,设置为0.2左右比较好。

?Initial Search Step:程序会先在“当前值±Initial Search Width”范围内搜索。Number Of Iterations:根据每个synthesis 操作之间的优化次数。应该设置为40~50。

?Maximum Number of Layers:如果设计过程是完全自动的,则不要设置得太大,否则会连续增加膜层。

如果设计过程受到监控,并且在适当的时候会手动停止,则可以设置得比较大。

Optimac材料设置

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Optimac过程

Simulated Annealing优化算法介绍

?Simulated Annealing 不是一个新技术,但大量用在薄膜设计中。它由一个设计组成,随机地在优化函数面上进行扰动。

?模拟实际的退火过程,由Boltzmann分布exp(-E/kT)产生的随机数确定下一个结果,E代表优化函数的随机增加,KT代表退火温度k是Boltzmann常数,而不是消光系数) 。慢慢地使优化函数达到最小。

Annealing参数设置

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?参数、标准偏差和初始温度分别设定。

?厚度波动的标准偏差有一个开始值和结束值。在操作开始时,波动应该非常大,但在末期就比较小。?退火温度的单位为度,每一度为初始优化函数的1/10000 。好的初始结构是必百或上千,退火过程会慢慢地降低温度,直到最终为0。温度的下降不是线性的,有时候递减的速度开始快,但标准偏差是相同的。

绝对:0.2意思是在当前厚度上增加0.2xl0,

相对:则是在当前厚度上增加膜厚的0.2倍,

最好选择“绝对”,至少开始的时候,否则薄膜会不变化。随机数的种子来自计算机的时钟,一般不需要改变。

在simulated annealing中,厚度上限在0.75左右是非常好的起始点,如果设置得太大,特别是早期的时候,会出现优化函数的大幅振动。

Annealing 过程

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Conjugate Gradient法

?Conjugate Gradient 优化方法属于用微分信息确定优化函数面的斜率的方法。优化时,此信息用于改变设计参数(通常是膜层厚度) 。

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Conjugate Gradient参数设置

?Merit Function Power:必须为正的偶数,此数越大,优化越久。通常为2就可以了。

?Limiting Range for Merit Function :如果优化函数小于此值,则会停止优化并返回优化设计。

?Maximum Iterations:另一个优化终止的标准。

?Minimum Merit Function Improvement To Update Plot (%):控制多久要更新曲线一次。

?Termination Match Count:可以用于指定达到所要求的小斜率的连续的时间的数目。如果Termination Match Count 小于0 ,因为优化函数斜率很小,则refinement永远不会停止。Conjugate Gradient 过程

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Quasi-Newton法介绍

?Quasi-Newton 优化方法也属于用微分信息确定优化函数面的斜率的方法。优化时,此信息用于改变设计参数(通常是膜层厚度) 。

?其参数设置和Conjugate Gradient一样。

Quasi-Newton过程

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?Needle synthesis用优化图形面的微分信息来确定需要在哪里插入一个新的膜层。

?当优化图形的微分为负时,是插入新的膜层的最佳位置。

?在插入了所有厚度为0的膜层后,用Conjugate Gradient refinement将新的膜层的厚度扩展为非0值。?在refinement过程中,如果能够改进优化图形,其它膜层的厚度也会改变。

?优化过程一直重复,直到达到所要求的结果为止,或者达到某些限定(如总的迭代次数)。

Needle Synthesis参数

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Needle Synthesis参数介绍

?Number of Synthesis Cycles:指定Needle Synthesis尝试插入膜层的次数。当超过这个值时,Needle Synthesis会停止。

?Merit Function Limit:是另外一个控制Needle Synthesis何时停止的一个参数。当优化函数降到小于这个值时,Needle Synthesis停止。

?如果Conjugate Refinement完成了,则会插入一个厚度小于New Thickness Value新的膜层,然后Needle Synthesis 会在入射介质后面或基底前面加入增加一个材料。如果优化函数没有改进Minimum improvement所确定的数值,则再增加新的材料。

?Maximum Number of New Needles:定义每次迭代时可以增加的最大层数。当Compact Interval大于0时,每个Compact Interval都迭代,Needle Synthesis会简化设计,去掉那些厚度小于Compact Thickness 的膜层。如果Compact Interval等于0,则不简化设计。它们一般都设置为1nm。

Synthesis Materials参数

列出插入新的膜层所用的材料。缺省值为设计中所有没有locked膜层所用的材料,还可以增加或去年其它材料。

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MATERIALS MANAGEMENT 材料管理介绍

?光学常数数据有:

?折射率n,

?消光系数k,

?波长l等。

?如果需要,这些值可以进行内插或外推。

?一次只能有一个活动的材料库,但可以通过输入相关材料文件,使用多个库中的材料。

?设置活动材料库方法为:Options >>General…中设置。要改变材料库,首选要关闭所有设计和材料,然后在材料文件夹选项中选择。如果输入了一个新的,但本应的材料不存在,则会给出一个新建选项,它是一个空的数据库,除了一个材料,空气和一个基底外。

在库中显示材料列表

?大部分窗口的Tools菜单中都有Materials项.

?材料排列顺序可以通过Edit>>Sort来改变。

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从其它库中输入材料

?首选用Tools>> Materials激活Materials窗口,

?然后用Edit>> Import命令。选择所要的材料库,并从中选取要输入的材料,点import就可以。显示材料数据

?材料表可以可以用File>> Open Material... 命令打开。

?另一种方法是在材料显示列表中(Tools>> Materials)双击材料的名称,可以得到这个材料的特性列表。此时,可以从Plot菜单中画出材料对波长和频率变化曲线。

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手动输入

?用file>>new>>material新建材料时,对一些没有输入的值,用线性插值的方法计算。但一些不平滑的曲线,可以用Insert Points,然后程序用三次样条插值计算进行平滑。

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用insert points进行平滑

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波长单位变换

?在编辑新材料时,可以用Edit>> Wavelength Scale... 命令定义不同的波长单位(缺省为nm).

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组合密度Packing Density...

?薄膜的折射率不仅取决于材料,还取决于组合密度。即使是同一材料,如果组合密度不同,其折射率也不相同。当组合密度变化时,通过它可以让存储的材料的折射率也变化。

?它可以在二个数据库中调整二个材料的常数,以表示在不同基底温度下的材料沉积的不同。

?注意:一旦改变了,在用的时候没有任何指示。所以,除非非常明显,的材料与标准的不一样,否则不要用此命令。

热模型

?材料的三个热参数。Linear Expansion Coefficient和dn/dT 的单位是固定的。

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删除材料

?首先选择Tools>>Materials

?然后选择Edit>>Delete

?只能删除最后一个材料。

Optical Constant Extraction

?可以用变量包络技术(variant envelope technique),可以从反射率和透射率的数据提取光学常数(Optical constants)。

?这种方法通过反射率和/或透过率的最大和最小值,用插值计算最大和最小值之间的数据,产生包络。?如果精确地确定了极值的位置,则可以给出光学常数的色散信息。

Optical Constant Extraction步聚

?File>>New>> Optical Constant 打开窗口,

?输入相应的数据(如下表),里面包括最大和最小透过率或反射率(没有对后面的面进行修正,要求后面的面是未镀膜的)。

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参数设置

?Type:用不同的符号表示1/4 或1/2波长:T-QW, T-HW, R-QW ,R-HW.

?基底的结果可以输入或通过已经存在的材料文件取得。这些也可以是未镀膜的的透过率,标记为T-SUB, 或基底折射率,标记为N-SUB.

?Data Source :Measured 和Envelope。Measured对应实际的最大或最小值。Envelope 的结果是为了

?菜单项Transmittance 或Reflectance打开一个数据显示窗口。可以用file>>import输入透射率或反射率曲线。

?用鼠标拖动一个矩形区域来定义搜索范围,放开鼠标得到峰值的位置。就在窗口的左上角显示波长和峰值的值。需要指定是1/4(cross)或1/2(plus)波长,是测量点还是包络点。、?用Add Point按钮会将数据转换到data窗口中,用来计算包络。则1/4波长的点,用“ ”标记,1/2波长点用“+”标记。

?用 + 建立不同的包络点。然后用Add Point输入为包络点。

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Calculate>> Parameters参数

?Approximate Index:因为有多重解,所以需要指定近似折射率。

?R/T Tolerance :为百分比。如果得不到正确解,决定程序如何处理。首先会在公差范围内调整结果,如果得到了一具好的结果,会标记“A”,如果还得不到好的结果,会标记“B”。

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?Film Model:薄膜模型是inhomogeneous和不吸收,还是均匀和吸收的。

?Incident Angle:入射到薄膜上的角度。最大为45度。.

?Polarization:倾斜测量的偏振光分量(S,P)。在整个测量过程中,必须用同一个偏振分量。

?Match Extrema:在常规操作中,不是总能精确适合极值波长,

?Substrate Material:选择基底材料。

?Use Spectrum:选择了时,用透过率数据确定薄膜的光学常数,如果没选,会用Substrate Material 的信息确定其光学常数。

光学常数提取过程

点Extract n & k就会进行计算。

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