设计了一套迈克耳孙白光干涉仪系统用于测量光学薄膜的反射相位,并由此反推单层薄膜的物理厚度。为补偿传统算法获取相位所存在的误差,提出一种新算法,以线性拟合结果作为初始猜想,采用多变量优化拟合总光程差曲线得到光学薄膜的相位。通过数值模拟的方式论证了理论上的可行性和高计算精度。采用多变量优化的手段进行处理实际测试的一组单层TiO2薄膜,所得物理厚度值与传统的光度法测试反演结果非常吻合。该测试系统和处理算法为快速精确测量光学薄膜厚度提供了一种新的解决方案。

A dispersive white-light spectral interferometer for precise measurements of the phase properties of multilayer thin film structures is built. A novel wavelet-based differentiation approach that considerably resists measurement error of group delay (GD) and group delay dispersion (GDD) is introduced. Versatile applications beyond phase measurement of the apparatus are demonstrated, including piezoelectric coefficient determination and physical thickness retrieval. With the increase of demand for thin film structures with specific phase properties, this white-light spectral interferometer can play an important role in future thin film industry.

We present a new and efficient method for the design of dispersive multilayer by employing a particle swarm optimization (PSO) technique. Its mathematical background is given and an adaptive PSO is realized with computer code. Two practical designing tasks are solved with this method, and the obtained results are competitive compared with other published structures. The adaptive PSO method demonstrates its merits of fast convergence and powerful global search ability, and could be used as a valuable tool for the optical thin film design.

啁啾脉冲振荡(CPO)与飞秒激光显微系统都要求在一定带宽内能够提供大的色散补偿，如此大的色散补偿要求是之前应用于飞秒激光器的各种色散补偿薄膜结构难以达到的。为此提出一种将基于共轭腔与G-T腔混合结构的初始膜系设计，只要在此基础上稍加优化，就可以满足系统的色散补偿要求。针对CPO系统与飞秒激光显微系统的实际需求，提供了两个设计实例，验证了这种初始结构的有效性。相比与于单纯用计算机优化方法生成的膜系，该结构更加简单而规整，因而便于实际的加工制备。

讨论了基于薄膜-光栅混合结构的导模共振滤光片中的古斯-亨兴位移与光束形变现象。模拟结果表明, 这种结构可以产生入射光波长300倍量级的横向位移量, 同时位移最大的波长上反射率也最大, 因而便于实验观测与在实际应用中提高能量利用率。分别采用经典的稳态位相法以及基于高斯光束角谱展开的数值计算方法, 计算了有限大小光束入射到薄膜-光栅结构后所产生的古斯-亨兴位移效应以及相伴的光束变形效应, 着重讨论了入射光束腰斑大小对位移量的影响, 这些数值模拟可为下一阶段的实验打下理论基础。

设计了一套利用白光干涉理论测量薄膜厚度的系统, 主要包括迈克耳孙白光干涉系统和光纤光谱仪。对干涉信号进行频域分析, 结合拟合测试与理论能量曲线的方法并选择合适的目标函数, 进一步精确反演得到待测薄膜样品的物理厚度, 使用上述方法对多组不同厚度的薄膜样品进行计算, 并对结果进行了详细的精度及误差分析。将本实验装置测试所得到的数据与传统的光度法相比较, 结果表明使用该测试方法测量光学薄膜物理厚度的误差可以小于1 nm。与传统的光度法和椭偏法相比, 提供了一种测量光学薄膜厚度的较为简单、快速的解决方案, 同时保证了较高的精度。