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1、1中中山山大大学学硕硕士士学学位位论论 文文光光学学膜膜系系的的最最优优化化设设计计及及其其算算 法法Algorithms for Optimal Design of Optical Coatings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）主席主席：委委员员：二二五年五月五年五月2光光学学膜膜系系的的最最优优化化设设计计及及其其算算 法法计计算机技算机技术术硕士生：陈陈培武培武指导教师：李李 磊磊 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
2、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 4001100
3、 nm 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。3Algorithms for Optimal Design
4、of Optical CoatingsComputer Technology Name: Pei-wuPei-wu ChenChen Supervisor: LeiLei LiLi (Professor)AbstractOptical coatings have been found to afford important applications in optical communication, especially in wavelength division multiplexing systems, besides that they are important components
5、 of modern optical equipments and photonic devices. Algorithms for optimal design of optical coatings are studied in the present thesis in which are included the brief contents and results as follows.1. Simplex method, as one of the most classic optimal methods, is studied and applied to optimize op
6、tical coatings, such as a 5-layer high reflecting coating within near infrared band and a 17-layer red coating equivalent to a high-pass interference filter in short wave band. The numerical results show that simplex method is suitable for optimal problems of optical coatings, and that it is not too
7、 rigorous for the initial parameters even when the initial coatings are quite different from the targets in spectroscopic properties.2. A whole simulated annealing genetic algorithm with real number encoding is proposed on the base of the standard genetic algorithm, and the computer program has been
8、 realized. As an effective method for global optimization problems, the algorithm simultaneously inherits the simpleness of real number encoding and the rapid global astringency of the whole simulated annealing genetic algorithm. The algorithm is applied to successfully optimize a high-pass coating
9、within a wavelength range of 400-1100 nm, and proves to be effective in optimal design of optical coatings.3. A computer program based on Needle method has been realized for automatic synthesis of optical coatings. Synthetic design of a reducing reflection coating in the visible wavelength range is
10、performed initially from a simple coating structure, and exhibits the effectiveness of Needle method and the program. The advantages and limits of Needle method are also discussed, and some improving methods are suggested.The algorithms and computer programs studied in this thesis are useful in theo
11、retically investigating and optimizing optical coatings, and thus also in providing evidence for experimental fabrication and application of optical coatings.K Ke ey yw wo or rd ds s: : optimal design, optical coatings, simplex method, genetic algorithm, Needle method, computer programs, optical com
12、munication, wavelength division multiplexing, filters.4目 录摘要 (2)Abstract (3)第 1 章 引 言 (6)1.1 光通信的发展现状 (6)1.2 波分复用技术 (7)1.3 光学薄膜型波分复用器件 (9)1.4 光学薄膜技术 (10)1.5 本论文的研究目的与内容 (13)第 2 章 光学膜系最优化设计的基本原 理 (14)2.1 膜系的光学性质及其计算方法 (14)2.2 光学膜系优化设计的基本原理 (24)2.3 关于最优化方法 (25)第 3 章 光学膜系优化设计的单纯形方法 (27)3.1单纯形方法的基本原理 (2
13、7)3.2算法与程序流程 (29)3.3计算实例与讨论 (32)3.4小结 (37)第 4 章 以实数编码的整体模拟退火遗传算法优化设计光学膜系 (38)4.1遗传算法的基本原理 (38)4.2基于实数编码的整体模拟退火遗传算法 (39)4.3程序实现 (43)4.4计算实例与讨论 (43)4.5小结 (46)第 5 章 光学膜系自动合成设计的 Needle 方法 (47)5.1Needle 方法的基本原理 (47)5.2程序实现 (52)5.3计算实例与讨论 (53)5.4小结 (55)第 6 章 总结与展望 (56)5参考文献 (58)附录 A：单纯形方法优化光学膜系程序 (61)附录 B：实数编码整体模拟退火遗传算法优化光学膜系程序 (68)附录 C：Needle 方法自动合成设计光学膜系程序 (72)致谢 (80)原创性声明 (81)6第 1 章 引 言1.11.1 光通信的发展现状光通信的发展现状随着计算机技术的广泛应用与互联网的高速发展，从传统文档的存取与传递、工业自动化与CAD/CAM 的推广、医用图像的检索、传媒与娱乐业的多媒体文件处理和传递、电子商务的日益普及，乃至军事信息技术的应用等等，都需要通过通用或专线通信网络来快速传输数据，特别是传输包含图像数据的多媒体
