macleod软件说明

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

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

?

?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，

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。

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。

Design

控制显示的膜层顺序和计算公式顺序等

Chart Style

Chart Styles :定义绘图数据的风格。包括颜色、线型等

General Units

定义各种量的单位。

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)：

?(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

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

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。

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。

Edit Materials...

Performance

设置绘图的参数。

3D Performance...

?定义3D坐标轴。

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

?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。

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。

Color

颜色计算的设置。

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

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。

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。

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.

Rugate 薄膜举例

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

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。

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。

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

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

Optimac优化参数设置对话框

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

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

?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

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) 。

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

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

?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

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。

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。

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。

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。

用insert points进行平滑

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).

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。

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)。

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。

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”。

?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。

计算的光学常数结果

光学常数曲线