1、光学薄膜现代优化设计方法张锦龙CIOE光学真空镀膜大会，深圳，2023年9月7日同济大学精密光学工程技术研究所01 04 03 02 2研究所简介光学薄膜多目标设计方法光学薄膜鲁棒性设计总结3研究所简介2002年成立，聚焦精密光学元件及系统开展光学、微纳、仪器和人工智能的交叉研究4全流程制作技术：全谱段纳米计量与测试数字光学理论与系统建设了三个省部级平台，凝练了四大研究方向研究所简介全光谱薄膜器件与系统具备全光谱光学薄膜研制能力Mo/Si反射镜19.6nm红外窗口8-12m反射镜355/532/1064nm谱段全5研究所简介强激光薄膜器件及应用连续-纳秒-飞秒激光薄膜研制能力运转模式多6研究所

2、简介强激光薄膜与应用成像系统主次镜(零应力）光谱、滤光、偏振、色散、复杂环境功能多01 04 03 02 8研究所简介光学薄膜多目标设计方法光学薄膜鲁棒性设计方法总结9传统设计方法1 221(,)()1()LjjjjR XRf XLR光学薄膜的设计问题可以归结为一个数值优化问题，该问题由一组设计参数和评价函数所确定。grad F局部极值光学薄膜多目标设计方法Needle算法传统设计方法可以设计出满足几乎任意的光谱和相位要求的薄膜10先进薄膜的设计要求先进光学系统对薄膜器件的设计提出了更多的要求先进薄膜器件的需求：大带宽、相位/色散、高损伤阈值、低光学损耗光学薄膜多目标设计方法图像微分多层膜高反

3、射镜损伤问题薄膜损耗问题超快光学色散问题11现代多目标设计方法难点：多目标的融合和优化单一光谱目标电场、吸收、散射、应力、色散等多目标协同优化光谱和色散损伤阈值散射损耗光学薄膜多目标设计方法13优化电场提高损伤阈值高色散镜的膜层内通常具有更高的驻波电场，电场是导致薄膜损伤的主要原因光学薄膜多目标设计方法高损伤阈值薄膜的设计需要对宽波段内的电场调控进行精确设计需求与问题14光学薄膜多目标设计方法=+,=,=;=()+()优化前后界面电场优化前后高折射率材料内电场优化前后激光损伤阈值膜层界面高折射率材料优化电场提高损伤阈值需求与问题15低散射损耗薄膜薄膜的散射主要源自薄膜的界面粗糙度、折射率非均质

4、性以及局部缺陷三个方面。其中界面散射主要受界面电场影响。=光学薄膜多目标设计方法调控光学因子F散射对比16低散射损耗薄膜复杂薄膜结构内的电场增强，使得局部较宽波段内的散射损耗增大光学薄膜多目标设计方法单波长的方法难以满足宽波段需求，需要建立宽带散射优化设计方法界面电场ARS界面电场的角度分布和角分辨散射分布是评估宽带散射的有效指标需求与问题17低散射损耗薄膜光学薄膜多目标设计方法=;=;=;=+.优化前后角分辨散射分布优化前后角界面电场分布-兼顾光谱、色散特性，优化后散射值下降近5倍01 04 03 02 18研究所简介光学薄膜多目标设计方法光学薄膜鲁棒性设计总结19光学薄膜鲁棒性设计方法薄膜

5、制备误差薄膜制备过程中由于工艺、监控和设备的误差，导致实际生产中存在多种参数误差，最终影响薄膜的光学性能鲁棒性设计是降低生产误差对薄膜性能影响的一种方法20鲁棒性设计鲁棒设计方法通过构建，设计出对工艺误差不敏感的膜系 f x理论设计生产参数实际光学性能优化目标模拟沉积理论设计生产误差和实际光谱光学薄膜鲁棒性设计方法特殊的评价函数是鲁棒设计的核心21鲁棒性设计目前的鲁棒设计方法主要针对石英晶振监控和时间监控，考虑了生产过程中的常用的鲁棒设计评价函数 色散反射镜 双波段增透膜针对非相关误差的鲁棒设计方法有效提高了薄膜的制备成功率光学薄膜鲁棒性设计方法22宽光谱监控下的鲁棒设计方法误差相关性使鲁棒性

6、设计变得困难消极特征：沉积误差随层数的增加而累积积极影响：由误差相关性引起误差自补偿效应缺少对宽光谱监控（相关误差）的鲁棒设计方法 宽光谱监控是实现复杂薄膜精确监控的有效手段之一直接宽光谱监控示意图薄膜光谱随沉积厚度变化厚度误差+折射率误差实际光谱出现误差光学薄膜鲁棒性设计方法X.Ji,et.al,Optics Express(2022)23宽光谱监控下的鲁棒设计方法可以有效的模拟监控中的相关性误差宽光谱监控计算制造Total Time Estimation=12141.61 s(3h22:21.61)C-5298.06 s(1h28:18.06),D-6843.55 s(1h54:3.55)

7、Time(s)30028026024022020000Deposition Rate(/s)54.543.532.521.510.50Total Time Estimation=12141.61 s(3h22:21.61)C-5298.06 s(1h28:18.06),D-6843.55 s(1h54:3.55)Time(s)20000Deposition Rate(/s)76.565.554.543.532.521.510.50沉积速率波动终止时刻不准确随机误差光信号漂移缺点：计算制造的耗时巨大，难以用于

8、鲁棒性设计光学薄膜鲁棒性设计方法是宽光谱监控鲁棒设计方法的关键相关厚度误差矢量误差分析24宽光谱监控下的鲁棒设计方法1、计算速度快，可以进行统计分析2、可以用于鲁棒设计的优化中，设计具有更高的可制备性的薄膜基于，提出一种解析方法，准确地预测宽光谱监控的实际生产光谱快模拟速度慢二向色镜预测光谱宽带增透膜预测光谱(D,Jiang,et.al.Optics&Laser Technology,2023)光学薄膜鲁棒性设计方法需求与问题25宽光谱监控下的鲁棒设计方法提出兼顾宽光谱监控特性的鲁棒性设计方法小误差包络大计算制造光谱解析计算光谱设计案例：截止滤光片=以光谱的解析误差包络为设计目标，优化膜层的光

9、学薄膜鲁棒性设计方法短波通截止滤光片设计需求与问题26设计-制备协同优化策略缺乏针对宽光谱监控参数与薄膜设计的协同优化技术监控参数也会影响制备结果的鲁棒性光学薄膜鲁棒性设计方法需求与问题27设计-制备协同优化策略是基于鲁棒设计思想提出的一种新型优化策略，旨在针对各种监控方法获得最佳优化设计和最佳监控参数。目标：获得最优实际光谱所对应的和。1.建立准确的计算模型；2.测定精确的计算制造参数。1.确定最佳的监控条件（角度、波段）；2.建立光学监控误差的解析计算模型（鲁棒性评价函数）。鲁棒设计监控策略选取最佳监控参数优化膜系设计光学薄膜鲁棒性设计方法薄膜设计与监控策略协同优化需求与问题28设计-制备协同优化策略光学薄膜鲁棒性设计方法协同优化的宽带增透薄膜Tmin从98.8%提升至99.5%优化膜层的和设计案例：宽带增透膜基于解析模型的协同优化设计计算制造光谱=;=(,)=,01 04 03 02 29研究所简介光学薄膜多目标设计方法光学薄膜鲁棒性设计总结28光学薄膜现代优化设计方法展望：自主光学薄膜优化设计软件、复合式监控算法总结团队具备光学薄膜先进设计算法和软件的开发能力1.光学薄膜优化设计方法；2.兼顾宽光谱监控特性的；。传统薄膜设计方法需求与问题312023光学薄膜前沿国际会议总结http:/ 谢！