ИСТИНА

Слоистые оптические покрытия имеют огромное значение как для наиболее перспективных областей современных технологий (лазерная литография в электронике, зеркала космических телескопов и гравитационных антенн, лазерные системы в установках термоядерного синтеза и многое другое), так и для большинства разделов повседневной экономики (от встроенных камер мобильных телефонов и практически любых оптоэлектронных приборов до архитектурного остекления и защитных красок на банкнотах). Такие покрытия должны обладать заданными спектральными характеристиками (коэффициентами отражения и пропускания в заданном диапазоне длин волн), для получения которых часто необходимо использовать покрытия с многими десятками и даже сотнями слоев. Параметры этих слоев, в первую очередь их толщины и показатели преломления, являются их конструктивными параметрами. Обратные задачи, связанные с проектированием и созданием многослойных оптических покрытий, делятся на два основных класса. Первый из них – это собственно задачи проектирования (синтеза) покрытий, а второй – это обширный класс задач распознавания, связанный с вопросами практической реализации разработанных теоретических конструкций покрытий. Задачи распознавания в этой области можно в свою очередь разделить на три наиболее существенных подкласса. Во-первых, это задачи определения параметров отдельных тонких слоев, на основе которых создаются различные покрытия. Далее, это задачи определения параметров самих произведенных покрытий, число слоев которых может быть очень велико. Отдельные слои и покрытия в целом получаются с помощью различных процессов напыления в вакуумных камерах. При этом данные процессы сопровождаются различными измерениями внутри камер. Кроме того, различные измерения производятся и после завершения производства. Данные всех этих измерений являются входной информацией для решения указанных выше задач распознавания. Наряду с ними имеется и еще один обширный подкласс таких задач, связанный с созданием надежных систем контроля процессов напыления оптических покрытий. Рассматриваемые в нем задачи обладают своей существенной спецификой. Представленный проект направлен на формирование нового подхода к решению всего класса обратных задач распознавания в оптике слоистых покрытий. Формирование такого подхода стало возможным благодаря существенному прогрессу в развитии экспериментальных средств сопровождения процессов напыления покрытий. В последние годы очень широко стали применятся различные методы оптического контроля этих процессов. При их использовании в режиме on-line получаются огромные массивы экспериментальных данных, из которых в настоящее время используются лишь небольшая часть. Основной целью проекта является разработка принципиально новых нелокальных алгоритмов решения обратных задач распознавания в оптике слоистых покрытий. Важнейшей особенностью этих алгоритмов будет возможность использования всей доступной для решения обратных задач экспериментальной информации. Нелокальный характер разрабатываемых алгоритмов определяется тем, что при каждом их применении используется вся доступная на текущий момент экспериментальная информация, а не малая ее часть, как это делается в настоящее время (обычно это последние, только что измеренные, данные). За счет этого предполагается существенно повысить устойчивость решения обратных задач и расширить набор искомых технологических параметров, который может быть надежно определен в ходе решения соответствующих задач. Повышение устойчивости решения обратных задач в оптике слоистых покрытий позволит получить новые представления о свойствах отдельных тонких слоев и покрытий за счет их более точного описания в используемых моделях этих объектов. Это в свою очередь создаст предпосылки для совершенствования технологий напыления покрытий и создания новых прорывных элементов в оптике и оптоэлектронике.

Multilayer optical coatings are of great importance for the most promising areas of modern technologies, such as laser lithography in electronics, space telescopes mirrors and gravitational antennas, laser fusion systems, and much more. They can be found in almost all areas of everyday life from built-in cameras of mobile phones and various optoelectronic devices to architectural glazing and protective paints on banknotes. Such coatings must have specified spectral characteristics (reflectance and transmission coefficients in a given wavelength range), for which it is often necessary to use coatings with many dozens or even hundreds of layers. The parameters of these layers, primarily their thicknesses and refractive indices, are their design parameters. The inverse problems associated with the design and production of multilayer optical coatings are divided into two main classes. The first one is formed by the design (synthesis) problems, while the second is a wide class of inverse recognition problems associated with the practical implementation of the developed theoretical designs of coatings. The recognition problems can, in their turn, be divided into three most essential subclasses. Firstly, these are the problems of determining parameters of single thin layers that are used to form multilayer coatings. Further, these are the problems of determining the parameters of the produced coatings, the number of layers of which can be very large. Separate layers and coatings are produced by various deposition processes in vacuum chambers and these processes are accompanied by measurements inside the chambers. In addition, various measurements are taken after production is completed. All these measurements provide input information for solving the above recognition problems. Along with them, there is another broad subclass of recognition problems that are associated with the reliable monitoring of optical coatings deposition. The problems of this subclass have their own essential specifics. The presented project is aimed at forming of a new approach to solving the entire class of inverse recognition problems in the optics of multilayer coatings. The development of this approach has become possible due to the significant progress in the development of instrumentation for monitoring the deposition processes. In recent years, various methods of optical monitoring have become very widely used. When used in on-line mode, huge amounts of experimental data are obtained, of which only a small part is currently used. The main goal of the project is to develop basically new nonlocal algorithms for solving inverse recognition problems in the optics of multilayer coatings. The most important feature of these algorithms will be the ability to use all experimental information available for solving inverse problems. The nonlocal nature of the algorithms being developed is determined by the fact that at each instant of their application all available experimental information is used. Currently only a small part of this information is used, usually these are the last data just measured. Due to this, it is expected to significantly increase the stability of the solution of inverse problems and expand the set of required technological parameters, which can be reliably determined in the course of solving the corresponding problems. An increase in the stability of the solution of inverse problems in the optics of multilayer coatings will make it possible to obtain new understanding about the properties of individual layers and coatings. This will be achieved to their more accurate description in the used models of these objects. This, in turn, will create the preconditions for improving the technologies for coatings depositions and hence for creating new breakthrough elements in optics and optoelectronics.

Разработка нелокальных алгоритмов решения обратных задач распознавания в оптике слоистых покрытий на основе данных монохроматических систем оптического контроля. Разработка нелокальных алгоритмов решения обратных задач распознавания в оптике слоистых покрытий на основе данных широкополосных систем оптического контроля. Выбор оптимальных для различных типов покрытий метода контроля и алгоритмов решения обратных задач распознавания.

В работах членов научного коллектива были разработаны наиболее широко используемые в настоящее время алгоритмы решения всех основных обратных задач распознавания в оптике слоистых покрытий. По данной тематике членами научного коллектива было опубликовано более 30 работ в журналах, индексируемых в базе данных Web of Science, в том числе 11 работ в журналах из первого квартиля. В 2016-2020 в рамках совместной реализации проектов РНФ членами научного коллектива разработан математический аппарат для исследования процесса корреляции ошибок в толщинах слоев напыляемых покрытий при использовании различных методов оптического контроля процессов напыления покрытий. Научный коллектив имеет большой опыт в разработке теории и методов решения обратных задач, создания численных алгоритмов решения обратных задач, использования разработанных методов и алгоритмов для решения различных прикладных задач. В целом по данной тематике руководителем проекта и членами научного коллектива опубликовано несколько монографий и десятки статей в ведущих реферируемых журналах. Список публикаций руководителя проекта и основных исполнителей за последние 5 лет имеется в сведениях о руководителе и основных исполнителях.

2021 год В ходе выполненных исследований впервые надежно обосновано наличие эффекта самокомпенсации ошибок в толщинах слоев покрытия в случае монохроматического контроля процесса напыления, отличного от метода контроля по поворотной точке. Последний представляет собой специфический метод монохроматического контроля, используемый только при напылении узкополосных интерференционных фильтров. При напылении таких фильтров эффект самокомпенсации ошибок используется уже несколько десятилетий. В последние годы исследование эффекта самокомпенсации ошибок интенсивно проводилось для методов широкополосного оптического контроля, в первую очередь, в работах авторов проекта. Наличие эффекта самокомпенсации ошибок при монохроматическом контроле процесса напыления отрезающих фильтров было предположено в работе группы создателей наиболее совершенной аппаратуры для такого контроля [A. Zoeller, M. Boos, H. Hagedorn, B. Romanov, Computer simulation of coating processes with monochromatic monitoring, SPIE Vol. 7101-16, 2008]. Однако, до последнего времени надежного подтверждения его присутствия представлено не было. Доказательство наличия эффекта самокомпенсации было получено для одного из наиболее важных типов покрытий – отрезающих фильтров. Для решения обратных задач определения параметров напыленных слоев предложен новый тип алгоритмов, основанный на минимизации функционалов, оценивающих дисперсии невязок экспериментальных данных. Показано, что при наличии систематических ошибок в экспериментальных данных один из предложенных новых алгоритмов позволяет получить существенно более точные решения, чем традиционный алгоритм, основанный на минимизации функционала невязки. Нелокальные алгоритмы решения обратных задач по данным монохроматического оптического мониторинга разработаны для всего круга таких задач. Это – задачи мониторинга толщин слоев напыляемых покрытий, задачи определения параметров отдельных тонких слоев и покрытий в целом. Отличительной особенностью нелокальных алгоритмов является то, что они используют все данные, накопленные за время напыления слоя или покрытия. Проведен сравнительный анализ различных алгоритмов и выделены предпочтительные для использования алгоритмы в зависимости от характера возможных ошибок в экспериментальных данных. 2022 Разработан алгоритм решения обратной задачи определения толщин напыляемых слоев покрытий с использованием нескольких последовательностей монохроматических данных, полученных из общего массива широкополосных данных оптического контроля процесса напыления покрытий. К этим последовательностям данных применяется доказавший свою высокую эффективность нелокальный алгоритм решения обратной задачи. Используемый алгоритм не требует задания толщин уже напыленных слоев. Фактически он решает собственно задачу мониторинга толщины текущего слоя покрытия, минуя решение задачи характеризации толщин уже напыленных слоев. Использование нескольких последовательностей монохроматических данных, вырезаемых из доступного массива измеряемых широкополосных данных, позволяет повысить точность контроля процесса напыления. Для решения обратной задачи в условиях нестабильности скоростей напыления слоев покрытия разработан модифицированный треугольный алгоритм, использующий серии промежуточных широкополосных данных, измеренных в процессе напыления каждого слоя покрытия. Совместно с китайскими учеными были проведены экспериментально-теоретические исследования по применению методов широкополосного оптического контроля при напылении одного из наиболее сложных типов покрытий – фильтров с предельно узкой зоной перехода от области высокого отражения к зоне высокого пропускания. Проведенные эксперименты полностью подтвердили теоретические результаты проекта, относящиеся к наличию сильного эффекта самокомпенсации ошибок при согласованном выборе конструкции фильтра и широкополосного метода контроля процесса напыления. Результаты данной работы опубликованы в журнале из первого квартиля: Hongfei Jiao, Xinbin Cheng, Zhanshan Wang, Igor Kochikov, Alexander Sharov, and Alexander Tikhonravov, "Production of ultra-steep dichroic filters with broad band optical monitoring," Opt. Express 30, 22501-22511, 2022. Впервые получена оценка силы эффекта самокомпенсации ошибок при напылении узкополосных интерференционных фильтров с использованием метода контроля по поворотной точке. Этот метод занимает особое положение среди всей совокупности методов оптического контроля. Без его применения в принципе невозможно получение фильтров для современных телекоммуникационных WDM технологий. Для получения оценки использовался разработанный при выполнении проекта программный комплекс моделирования процесса напыления. Впервые было показано, что сила эффекта самокомпенсации ошибок при напылении узкополосных фильтров с использованием контроля по поворотной точке как минимум на порядок превышает силу эффекта самокомпенсации для всех исследованных ранее комбинаций типов покрытий и методов их оптического контроля. 2023 Впервые предложен научно обоснованный подход к выбору наиболее подходящего для данного типа покрытия метода его контроля и к выбору используемых в этом методе алгоритмов решения обратных задач определения параметров слоев напыляемых покрытий. Выбор метода контроля основывается на полученных авторским коллективом результатах по исследованию эффекта самокомпенсации ошибок в толщинах слоев напыляемых покрытий при использовании методов широкополосного и монохроматического контроля процессов напыления. Этот эффект является следствием корреляции ошибок в толщинах слоев, вызванной использованием любого метода оптического контроля. Поскольку процесс корреляции ошибок имеет статистический характер, его исследование и оценка связанного с ним эффекта самокомпенсации ошибок основываются на проведении большой серии вычислительных экспериментов по моделированию процесса напыления покрытий. Для их проведения разработаны вычислительно эффективные системы моделирования процессов напыления оптических покрытий, опирающиеся на использование современных персональных компьютеров с многоядерными процессорами. Вычислительные эксперименты с использованием методов монохроматического и широкополосного контроля были проведены для оптических покрытий всех основных типов. Впервые были определены типы покрытий, для которых эффект самокомпенсации является наиболее сильным при широкополосном контроле и монохроматическом контроле. При монохроматическом контроле эффект самокомпенсации ошибок проявляется в менее сильной степени, чем при широкополосном контроле. Однако и в этом случае его учет имеет важное практическое значение. Вычислительные эксперименты с широкополосным и монохроматическим контролем во многих случаях позволяют сделать однозначный выбор в пользу одного из этих методов.