算法验证

DBR 交叉验证

Dreapex TMM 与 Essential Macleod:五对 DBR 的光谱、相位与角度扫描交叉验证
Contributed byLezhi Sun

本篇对比 Dreapex TMM 与 Essential Macleod 对同一 TiO₂/MgF₂ 五对分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector,DBR)的计算结果。验证范围包括 400–800 nm 反射率与透射率、反射相位,以及 510 nm 下的入射角扫描。

本文为 Lezhi Sun 的第三方投稿,不代表 Dreapex 官方立场。Essential Macleod 由 Thin Film Center 提供;文中的产品名称和界面截图仅用于标识独立参考计算及保证对标过程可审计,不表示双方存在隶属、合作或背书关系。

验证对象与判据

五个 TiO₂/MgF₂ 周期形成高反射阻带。两层物理厚度分别为 56.12 nm 和 99.64 nm,设计参考波长为 510 nm。

验证项目共同条件验收口径
波长扫描相同色散、层序、厚度、边界介质、400–800 nm 波长点和法向入射反射率与透射率曲线重合;高反射带边界一致
反射相位相同结构与波长采样;统一角度单位和相位符号后比较换算后的相位曲线在图示分辨率内重合
入射角扫描510 nm;0–89°;s、p 和等权平均偏振分别对应三条偏振曲线的形状、极值与转折位置一致

该模型为一维平面多层膜,材料按各向同性线性介质处理。

共同材料与结构

两套软件使用同一组 TiO₂、MgF₂ 和玻璃的波长相关 n, k 数据。原始记录使用 Dreapex TMM 数据库中的 Jolivet-amorphous.nkDodge.nkN-BK7HT.nk,并将相同数据导入 Essential Macleod,避免材料版本和插值来源成为额外变量。这些原始材料数据受数据库再分发限制,不在本文提供下载。

Essential Macleod 中导入共同材料色散数据的窗口
Essential Macleod 中导入共同材料色散数据

Dreapex TMM 使用一个 Layer Group 表示 TiO₂/MgF₂ 周期单元,Repeat Count 为 5,底部介质为玻璃。

Dreapex TMM 中五对 DBR 的层组设置
TiO₂/MgF₂ 周期单元与五次重复设置
Dreapex TMM 中五对 DBR 的完整结构
Dreapex TMM 中的五对 DBR 与玻璃底部介质

Essential Macleod 使用相同材料、层序和物理厚度,并列出 510 nm 下的分数波光学厚度(FWOT)。

Essential Macleod 中相同的五对 DBR 结构
Essential Macleod 中相同的五对 DBR 结构

波长扫描

共同设置

Dreapex TMM 在 Optics 页面使用 Sweep 波长模式,范围为 400–800 nm,步长 1 nm,入射角 0°,并启用 R·T·A 探测器。Essential Macleod 使用相同横轴范围和采样,将纵轴分别设为 Reflectance Magnitude (%) 与透射率。

Dreapex TMM 的 400 到 800 nm 法向入射设置
Dreapex TMM 的 400–800 nm 法向入射设置
Essential Macleod 的波长扫描范围设置
Essential Macleod 的波长扫描范围与步长

反射率与透射率

Dreapex TMM 输出 401 个波长点的反射率和透射率。独立参考软件对相同结构输出对应数据。

Dreapex TMM 的 DBR 反射率数据表
Dreapex TMM 的反射率原始输出
Essential Macleod 的 DBR 反射率数据表
Essential Macleod 的反射率原始输出

两组反射率数据在 400–800 nm 全波段重合。以反射率 R99%R\geq 99\% 为判据,两套计算得到的连续高反射带均为 519–573 nm;极值和主要转折位置未出现可见偏移。

两套软件的五对 DBR 反射率叠加对比
400–800 nm 反射率叠加对比

透射率叠加结果同样重合,并与高反射阻带形成互补。这里的材料均为透明介质,因此该互补关系也构成能量守恒的交叉检查。

两套软件的五对 DBR 透射率叠加对比
400–800 nm 透射率叠加对比

反射相位

Dreapex TMM 启用 Phase 探测器;Essential Macleod 将纵轴设为 Reflectance Phase (deg)。前者的原始输出使用弧度,后者使用角度。两套原始相位的符号相反,因此这里只验证经度数到弧度及符号变换后的数值一致性,不据此推断 Essential Macleod 未公开记录的时间因子约定。

Dreapex TMM 的反射相位探测器设置
Dreapex TMM 的反射相位设置
Essential Macleod 的反射相位设置
Essential Macleod 的反射相位单位与展开设置
Dreapex TMM 的反射相位原始数据
Dreapex TMM 的反射相位原始输出
Essential Macleod 的反射相位原始数据
Essential Macleod 的反射相位原始输出

完成单位和符号换算后,两条相位曲线在 400–800 nm 范围内重合,包括阻带边缘附近的快速变化。

单位和符号换算后的反射相位叠加对比
换算后的反射相位叠加对比

入射角扫描

角度扫描固定波长为 510 nm,范围为 0–89°,步长 1°。Dreapex TMM 的 Polarization Ratio 为 0、0.5、1 时,分别与 Essential Macleod 的 s 偏振、Mean 和 p 偏振对应。

Dreapex TMM 的 510 nm 单波长设置
Dreapex TMM 的 510 nm 单波长设置
Dreapex TMM 的入射角扫描设置
0–89° 入射角扫描设置
Essential Macleod 的 s、p 和平均偏振选项
Essential Macleod 的偏振选项

三组偏振结果放在同一坐标系后,曲线形状、极值与转折位置一致。高角度处 s、p 偏振分离明显,等权平均曲线保持在两者之间。

两套软件在 510 nm 下的角度反射率叠加对比
510 nm 下 s、p 与等权平均偏振的角度反射率对比

结论与适用边界

在共同材料、结构、边界条件和采样下,Dreapex TMM 与 Essential Macleod 的反射率、透射率、换算后反射相位及三种偏振角度扫描一致。结论只适用于文中声明的一维平面、各向同性线性膜系。表面粗糙度、散射、横向图形、工艺梯度和材料测量误差均未纳入模型;原始记录也未保存 Essential Macleod 的版本号。

DBR 的设计步骤见设计 99% DBR 高反镜,相位定义与群延迟关系见色散理论

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