中山大学硕士学位论文光学膜系的最优化设计及其算法AlgorithmsforOptimalDesignofOpticalCoatings专业：计算机技术作者：陈培武导师：李磊教授论文答辩委员会（签名）主席：委员：二○○五年五月光学膜系的最优化设计及其算法1计算机技术硕士生：陈培武指导教师：李磊教授摘要光学膜系不仅是现代光学仪器与光子学器件的重要组成部分，而且在光通信尤其是波分复用光通信系统中有重要应用。本论文研究光学膜系的最优化设计及其算法，主要包括以下内容与结果：1．研究了经典最优化方法中的单纯形方法在光学膜系优化设计上的应用，并计算了具有5层光学薄膜的近红外波段高反膜系以及相当于一个短波通干涉截止滤光器的具有17层光学薄膜的红膜系的优化问题。数值计算结果表明，单纯形最优化方法不仅适用于光学膜系的优化设计问题，且对初始参数的要求并不很苛刻，即使在初始膜系的光谱性质与设计目标相差颇远时仍能得到较好结果。2．在标准遗传算法的基础上提出以实数编码的整体模拟退火遗传算法，并实现了其计算机程序。该算法同时具有实数编码的简易性与整体模拟退火遗传算法的全局快速收敛性等优点，是求解全局最优化问题的一种有效方法。以该算法成功优化了在波长400～1100nm范围内高透的一个光学膜系，验证了其对于光学膜系优化设计问题的有效性。3．实现了以Needle方法自动合成设计光学膜系的计算机程序，并从简单的膜系结构出发，合成设计了在可见光波长范围内减反的一个光学膜系，证明了该方法及其程序的有效性；讨论了Needle方法的优越性与局限性及其改进方法。本论文所研究的算法与所实现的计算机程序，有助于在理论上研究和优化设计光学膜系从而为在实验上制备和应用光学膜系提供依据。关键词:最优化设计、光学膜系、单纯形方法、遗传算法、Needle方法、计算机程序、光通信、波分复用、滤光器。AlgorithmsforOptimalDesignofOpticalCoatingsComputerTechnologyName:Pei-wuChenSupervisor:LeiLi(Professor)2AbstractOpticalcoatingshavebeenfoundtoaffordimportantapplicationsinopticalcommunication,especiallyinwavelengthdivisionmultiplexingsystems,besidesthattheyareimportantcomponentsofmodernopticalequipmentsandphotonicdevices.Algorithmsforoptimaldesignofopticalcoatingsarestudiedinthepresentthesisinwhichareincludedthebriefcontentsandresultsasfollows.1.Simplexmethod,asoneofthemostclassicoptimalmethods,isstudiedandappliedtooptimizeopticalcoatings,suchasa5-layerhighreflectingcoatingwithinnearinfraredbandanda17-layerredcoatingequivalenttoahigh-passinterferencefilterinshortwaveband.Thenumericalresultsshowthatsimplexmethodissuitableforoptimalproblemsofopticalcoatings,andthatitisnottoorigorousfortheinitialparametersevenwhentheinitialcoatingsarequitedifferentfromthetargetsinspectroscopicproperties.2.Awholesimulatedannealinggeneticalgorithmwithrealnumberencodingisproposedonthebaseofthestandardgeneticalgorithm,andthecomputerprogramhasbeenrealized.Asaneffectivemethodforglobaloptimizationproblems,thealgorithmsimultaneouslyinheritsthesimplenessofrealnumberencodingandtherapidglobalastringencyofthewholesimulatedannealinggeneticalgorithm.Thealgorithmisappliedtosuccessfullyoptimizeahigh-passcoatingwithinawavelengthrangeof400-1100nm,andprovestobeeffectiveinoptimaldesignofopticalcoatings.3.AcomputerprogrambasedonNeedlemethodhasbeenrealizedforautomaticsynthesisofopticalcoatings.Syntheticdesignofareducingreflectioncoatinginthevisiblewavelengthrangeisperformedinitiallyfromasimplecoatingstructure,andexhibitstheeffectivenessofNeedlemethodandtheprogram.TheadvantagesandlimitsofNeedlemethodarealsodiscussed,andsomeimprovingmethodsaresuggested.Thealgorithmsandcomputerprogramsstudiedinthisthesisareusefulintheoreticallyinvestigatingandoptimizingopti...
