RP Coating 设计光学多层结构软件|全面解析

RP Coating 

设计光学多层结构软件

本软件是一款特别灵活而且功能强大的薄膜设计软件，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。它不仅局限于开发的标准设备，而且能够提供给开发者分析和优化新设计的功能。同时，对于经常需要快速改变设计参数的工业界人士，该软件是及其方便使用的：软件将设计的全部结构充分的参数化，通过很少的参数就可以对设计进行修改控制，而不需要大量的膜层厚度值设定。

RP Coating -设计光学多层结构的高级软件

用于开发激光反射镜，色散反射镜，滤光片和偏振器的灵活工具

RP Coating V4是一种特别灵活且功能强大的薄膜软件工具，用于开发各种光学多层结构。它不仅限于开发人员设想的标准设备，还使开发人员能够分析和优化任何新功能。同时，对于经常需要快速将设计适应新参数值的行业人士来说非常方便：设计可以完全参数化，使得整个结构可以通过一些参数来控制，而不是一长串的层厚度值。

本质上，薄膜涂层设计的特征是一系列的材料层(具有已知的光学特性)和相应的薄膜厚度值。虽然分析给定设计的光学特性相对简单，但要找到适合特定应用、满足特定规格的光学特性的设计却具有挑战性。在某种程度上，我们可以使用数值优化，但从一些不需要优化太多参数的构思型设计开始往往是有帮助的。在这里，拥有一个灵活而强大的软件和胜任而有用的技术支持是至关重要的。这样，你就可以有效地为多种应用设计薄膜涂层。

从简单的表格开始

通过该软件，我们为不同种类的薄膜涂层提供了各种演示文件，包含方便的定制表单，您可以非常容易地开始。参见Bragg镜像和GTI镜像的例子:

当执行计算时，您会得到各种图表(此处不显示)，显示最终的薄膜设计(可能涉及数值优化)和最终的基本光学特性。您还可以获得以表单本身显示的输出。更多的数值输出可以出现在右侧的输出区。

一个强大的功能是，这些表单和计算不是硬连接的：您可以获得脚本文件，在这些脚本文件中，您可以根据特定的需要轻松地修改表单和计算。例如，您可以在设计中引入更多参数，创建额外的图表或数字显示薄膜设计的额外光学特性。如果您觉得非常困难，可以联系我们获得强有力的技术支持。您甚至可以根据您对所需内容的非正式描述获得完整的新脚本。

脚本非常灵活 - 而且简单！

在RP Coating中，您可以以文本形式定义膜层结构，即以脚本形式。例如，一个简单的Bragg镜可以定义如下：

您还可以使用数学表达式计算层厚度（例如，对于啁啾镜），在以后进行数值优化时设置最小和最大厚度。

绘制一些反射率分布同样容易：

（在上面的方框中，您可以看到我们软件中编辑器的部分屏幕截图;它可以很好地突出显示语法。）

同样，使用几行脚本代码可以轻松完成各种其他任务，例如：

• 生成其他图形图表，以显示膜层设计或其他任何特性。

• 将优化因数函数定义为优化目标的精确定义，并对所有层厚度值进行数值优化，以使该函数的值变得最小。

• 将任何计算的镜像特性或镜像设计（例如，图层厚度值序列）保存在文本文件或二进制文件中 - 基本上可以生成任何文件格式。

• 从光谱仪生成的文件中读取测量的反射光谱，并将这些数据与计算的反射率一起绘制。

（另请参阅我们的案例研究作为具体示例，并阅读有关良好用户界面的信息。）

该软件强大的脚本语言将让您只需一行或几行代码即可解决简单任务，但如果需要，还可以实现最复杂的计算或模拟。这种方法为您的研究和开发提供了极大的灵活性。如果它只有一个图形用户界面但没有完全解决的脚本功能，那么任何其他软件都难以实现这一点。

为了让您的生活更轻松，工作效率更高，该软件提供了许多非常有用的工具 - 请参阅以下有关最新功能的文本框。还有一个代码片段库，当然还有全面的文档（PDF手册和上下文相关的帮助功能）。

请注意，还可以使用自定义表单控制软件：可以在脚本文件中定义此类表单。然后，任何人都可以将一些输入数据填充到表单中，执行它并显示结果 - 而无需处理底层脚本代码。

设计您需要的任何东西！

例如，RP Coating可用于分析和优化以下类型的薄膜器件：

• 介质镜（激光镜），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）

• 增透膜层，包括先进的多层结构，例如， 采用蒙特卡罗技术.

• 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，体布拉格光栅，滤光片和其他类型的干涉滤波器）

• 薄膜偏振片（平板偏振片，偏振立方体）

• 半导体结构，如SESAM，包括可饱和吸收特性，色散等，以及VECSEL增益结构

您也可以出于任何目的定义任何其他多层结构。

主要特点

•  RP膜层提供了不同的方法来定义薄膜多层结构。除了简单地逐一列出所有层材料和厚度值之外，还可以用数学表达式指定结构（例如，根据几个给定参数计算啁啾镜像结构）。这使您可以完全参数化您的设计：您可以使用几个参数而不是一长列图层厚度值来控制整个设计。另一种选择是从文件中读取结构 - 在二进制和文本文件格式方面具有很大的灵活性。

• 该程序可以计算多层结构的大量相关特性，包括其反射和透射幅度和相位（具有可变入射角），色散，结构内部的场分布等。

• 有大量材料选择的材料数据。使用基本上任何类型的定义来添加任何其他材料的数据也没有问题：列表数据（折射率与波长），Sellmeier公式或任何可能更合适的公式。

•  该软件允许各种优化。品质因数可以自由地定义为数学表达式，其可以指不同特性的任意组合，包括制造误差容限。（请注意，竞争产品通常只允许您修改品质因数的固定类型的参数。）优化可以是本地优化或使用蒙特卡罗算法。它可以单独影响所有层厚度值，或仅影响间接确定层结构的一些参数。

• 通过拟合实验数据，可以计算出与指定厚度值或材料数据的偏差。

• 所有结果都可以图形方式显示。用户基本上可以定义任何类型的绘图或颜色图，而不仅仅是从一组预定义图中进行选择。

• 此外，结果可以以文本形式显示：写入软件窗口中的特殊区域，写入图形图表或文本文件。有关文本或二进制文件格式的完全灵活性。例如，您可以从光谱仪读取文件并写入文件以控制镀膜机。

您很难找到同样灵活且适用于如此广泛应用的竞争软件。
该软件提供了超过15个演示文件，处理简单的镜像结构以及复杂的优化。
如果您有任何其他问题或需要报价，请联系我们。

RP Coating -设计光学多层结构的高级软件

软件的功能

RP Coating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 Coating 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 Coating 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 Coating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。

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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 Coating 软件非常优秀，不仅使用方便，而且可以高速数值计算。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 Coating -设计光学多层结构的高级软件

用户界面的基本概念

RP Coating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 Coating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 Coating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**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 Coating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**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。

RP膜层 -设计光学多层结构的高级软件

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
  

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。

人造金刚石解决方案是高功率CO2激光器、碟片激光器和固态激光器的核心组成部分，可以确保持久稳定地发出高光学质量的激光束。其广泛应用于激光光学元件，如CO2激光器、光束传输系统（像分束器和布鲁斯特窗）、VCSEL（垂直腔面发射激光器）和拉曼激光器的输出耦合器和出射窗。

激光光学元件综合运用人造金刚石的光学、热学和力学性能，使CO2激光器实现最高功率，且不会因热透镜效应损失光束质量。由于人造金刚石极其坚硬，因此比较薄的窗口也可以抵抗一个大气压的压力差，同时还能保持最低的吸收水平。得益于人造金刚石的综合极端特性，新型激光器以及光学应用的数量正呈现不断增长之势，其耐用性保证了其光学性质在极端条件下也能够保持很长时间。

激光光学元件

金刚石单晶在强激光作用下仍为高度线性激光晶体

拉曼激光器

拉曼位移最大：1332cm-1

拉曼增益系数：25cm/GW

案例：

5*5*1.47mm作为激光晶体，未镀膜

置于由输入耦合镜和端镜组成的谐振腔内

可以提供7*2*2, 6*2*2, 5*2*2等各种尺寸拉曼激光器用金刚石晶体。

光学级单晶CVD金刚石，低双折射。

光通过人造金刚石时会发生双折射，从而改变光的偏振。低双折射光学CVD金刚石应用于一系列现有和新型激光技术，如半导体和掺杂介电圆盘激光器。低双折射散热片可用于激光腔而不会产生退偏损耗。相比传统的背面散热，在腔内使用人造金刚石能提供更有效的激光介质热管理，并可显著提升功率范围。该材料能稳定保持和再现低双折射、优异热导率、低吸收、低散射、较宽的透光范围、高激光损伤阈值、高化学和同位素纯度、低热膨胀系数、高机械稳定性和化学惰性等特性。

光学级单晶CVD金刚石，低双折射，极低吸收。

金刚石用于最苛刻光学领域（如拉曼激光）的特殊光学级单晶CVD金刚石材料。这种材料无可比拟地将低双折射率（10-5）和长光程（高达15毫米）低光学吸收率结合在一起，使其成为某些低损耗激光腔应用的首选材料。再加上其优良的导热性和较低的热膨胀系数，使其比更常用的拉曼增益介质能够达到更高的激光功率。人造金刚石具有最大的拉曼位移（1332cm-1）和拉曼增益系数（25cm/GW），人造金刚石拉曼激光器为现有激光源无法满足要求的光谱区域获取高激光输出功率开辟了新的可能性。人造金刚石也被用于拉曼激光器，其极端特性可令激光功率提高两个数量级以上。