RP Coating – Design optischer Vielschichtstrukturen
RP Coating ist eine leistungsfähige Software für das Design verschiedenster optischer Vielschichtstrukturen, z. B.
- dielektrischer Spiegel (Laserspiegel), einschließlich gechirpter Spiegel (z. B. "double-chirped mirrors" mit extrem hoher Bandbreite) oder anderer Arten dispersiver Spiegel (z. B. GTIs)
- Anti-Reflex-Beschichtungen, einschließlich komplexer Multischichten-Designs, zu finden z. B. mit Monte-Carlo-Methode
- Faser-Bragg-Gitter
- Halbleiterstrukturen, z. B. SESAMs, einschließlich Sättigungs- und Dispersionseigenschaften etc., und auch VECSELs
Das Programm wurde entwickelt von Dr. Rüdiger Paschotta. Bis auf weiteres ist es nicht verkäuflich, aber es erlaubt RP Photonics, für ihre Kunden vielfältige Berechnungen und Optimierungen im Rahmen von Consulting-Projekten durchzuführen, und dies mit recht geringem Zeitaufwand. Dr. Paschotta verfügt über umfangreiche Erfahrung mit dem Design von Vielschichtstrukturen, Interferenzeffekten, Dispersion, etc.
Wichtigste Merkmale
- RP Coating verfügt über verschiedene Methoden, um eine Vielschichtstruktur zu definieren. Anstatt einfach alle Materialien und Schichtdicken aufzuzählen, kann man eine Struktur mit Gleichungen definieren (z. B. um eine gechirpte Spiegelstruktur anhand einiger weniger gegebener Parameter zu berechnen) oder aus einer Datei einlesen.
- Das Programm kann eine große Zahl von Eigenschaften einer Vielschichtstruktur berechnen, einschließlich seiner Reflektions- und Transmissionsamplituden und -phasen (für variablen Einfallswinkel), chromatische Dispersion beliebiger Ordnungen, Dissipation in absorbierenden Strukturen, Feldverteilung innerhalb einer Struktur, etc.
- Die Software erlaubt verschiedenste Arten von Optimierungen. Es kann ein "figure of merit" definiert werden, der sich auf eine beliebige Kombination von Eigenschaften beziehen kann, ggf. einschließlich Fertigungstoleranzen. Die Optimierung kann lokal erfolgen oder mit einer Monte-Carlo-Methode. Sie kann alle Schichtdicken einzeln betreffen oder aber einige Parameter, die Schichtstrukturen indirekt festlegen.
- Es ist möglich, durch Fitten an gemessene Daten Abweichungen von Schichtdicken oder Materialparametern zu bestimmen.
- Alle Resultate können in verschiedensten Formen geliefert werden, einschließlich diverser Arten von Diagrammen und Tabellen, z. B. für den Export zu anderer Software.
Sie werden kaum eine konkurrierende Software finden, die ähnlich flexibel und praktisch für verschiedenste Fälle einsetzbar ist.
Beispiele für grafische Ausgaben
Die folgenden Grafiken wurde alle mit RP Coating erstellt und illustrieren einige seiner Eigenschaften.
Bragg-Spiegel
Dieses Beispiel zeigt die Eigenschaften eines einfachen Bragg-Spiegels für Reflektion bei Wellenlängen um 1000 nm. Die Gruppendispersion ist auch gezeigt; sie ist gering im größten Teil des Reflexionsbereichs, wird aber groß an den Rändern.
Anti-Reflex-Schicht für zwei Wellenlängen
Eine vierschichtige Anti-Reflex-Struktur auf BK7-Glas wurde mit RP Coating optimiert für eine minimale Reflektivität bei 1064 nm und 532 nm. Die dicke schwarze Kurve zeigt das Reflektivitätsspektrum für das nominale Design, während die dünnen grauen Kurven Spektren für zufällige Abweichungen mit 2 % r.m.s. vom Design durch Wachstumsfehler zeigen.
Doppelt gechirpter dispersiver Spiegel
Dieses Beispiel zeigt die Lösung einer sehr schwierigen Aufgabe, die mit den meisten kommerziell erhältlichen Software-Paketen kaum zu bewältigen wäre. Ein doppelt gechirpter Spiegel wurde entwickelt, um die chromatische Dispersion von 5 mm Quarzglas (gestrichelte Kurve) im Wellenlängenbereich von 1000 nm bis 1200 nm zu kompensieren, wobei ebenfalls eine hohe Reflektivität über diesen Bereich gefordert ist. Um ein solch leistungsfähiges Design innert nützlicher Zeit zu finden, benötigt man einen ausgefeilten Optimierungs-Algorithmus. Mit seiner hohen Flexibilität erlaubt RP Coating die Implementierung einer sehr effizienten Strategie, und zwar auf der Ebene der Skript-Sprache, nicht im Quellkode. Man beginnt hier mit einer groben Optimierung, die nicht auf der Ebene einzelner Dickenwerte arbeitet, sondern basierend auf einer sehr begrenzten Anzahl von Parametern, die über eine Formel die ganze Schichtstruktur bestimmen. In einem zweiten Schritt werden die einzelnen Dickenwerte weiter optimiert, und eine exzellente Performance wird erreicht. Auf einem gewöhnlichen PC benötigt der ganze Prozess höchstens ein paar Minuten, während andere Software dafür oft viele Stunden bräuchte.
Das Diagramm oben zeigt das Reflektivitätsspektrum und die Gruppendispersion, während das untere Diagramm das Eindringen des elektrischen Felds in die Struktur als Funktion der Wellenlänge illustriert. Dies zeigt, dass im Wellenlängenbereich von 1000 bis 1200 nm das Feld umso mehr eindringt, je länger die Wellenlänge ist. Dies ist im Kern die Ursache der anomalen Dispersion.
Sättigbarer Halbleiter-Absorber
RP Coating ist ebenfalls nützlich für das Design von sättigbaren Halbleiter-Absorbern (SESAMs). Die folgenden Diagramme gehören zu einem einfachen antiresonanten Design, welches aus einem Bragg-Spiegel und einer Absorberstruktur mit einem einzelnen quantum well besteht, dessen Position im ersten Diagramm von der grauen vertikalen Linie angezeigt wird. Die schwarze Kurve zeigt den Verlauf des Brechnungsindex, woran man den Bragg-Spiegel auf der linken Seite erkennt. An der Stelle des Absorbers hat das elektrische Feld ein lokales Maximum.
Das zweite Diagramm zeigt das Reflektions-Spektrum (in dem die schwache sättigbare Absorption nicht erkennbar ist) und die Feldintensität im Absorber. Dies zeigt, dass ein SESAM mit diesem Design praktisch im gesamten Reflektionsbereich verwendet werden kann.
