基于Optilayer的T6/R4分光镜优化设计

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光学薄膜优化软件的出现使得光学薄膜制备的设计难度极大降低，本例是基于Optilayer设计一个入射角为22.5°，在450～600nm波段透射率为60%，反射率为40%的分光镜。尽管例子是基于Optilayer软件，使用TFC、Essential Macleod、FilmWizard等软件可以实现类似的效果。

1.需求分析

为设计一个入射角为22.5°，透射率为60%，反射率为40%的分光镜可以使用两种设计思路，第一种为第一面的透射率为60%，反射率为40%，第二面为100%全透射；第二种为两面的设计相同，但需要计算第一面和第二面的光谱参数。

从工程角度分析，一般选择第二种设计方案，原因两个面均承担分光效果比一个面承担分光效果要更可靠且制备时仅需优化一种膜系。

确定薄膜的设计方案后需要计算单界面的光谱信息，在忽略基底的吸收、膜层的吸收的情况下，双面镀膜后分光镜的透射率T可以表示为

令T = 0.6，即可求解出，在已知薄膜界面透射率为0.75的条件下，可以开展后续设计。

2.优化前准备

本次设计使用Optilayer的Optilayer模块开展设计，设计前先加载高折射率材料H为TiO2，低折射率材料为MgF2，基底为BK7。

图1 基本设置

膜层的初始设计可以简单设计为单层膜，中心波长为500nm，入射角为22.5°，设计好后加载至内存。目标函数入射角为22.5°，初始波长为450nm，终止波长为600nm，控制点128个，按对数分布，所有控制点的s光和p光的透射率设置为75%，容差1%。

图2 初始膜系设置

图3 目标函数设置

图4 初始膜系的透射率和反射率光谱及目标值

3.优化

使用软件的Synthesis选项下的Gradual Evolution.设置最大物理厚度为1000um（依据镀膜设备设置）开始优化，直到厚度超过1000um，开始提示使用针式算法自动优化，此时停止优化。此时评价函数已经很小，光谱基本满足设计。

图5 优化设置

图6 优化后的光谱

4.再优化

第三步光谱已经基本满足，但此时膜层有很多薄层，制备难度较大，需要进一步优化。如图7所示，使用薄层移除功能发现此时最薄的膜层仅有1.5nm，制备难度极大，需要去除薄层，依据经验以15nm为界，去除1.5nm和4.9nm的薄层，此时光谱如图8（a）所示，仍满足光谱要求。此时已经可以制备薄膜，但最厚膜层有550nm，需要分坩埚制备，此时可以通过，软件自带的膜层限制功能限制最大厚度为450nm，最薄厚度为25nm，进一步优化，结果如图9所示，满足制备要求，优化结束。