任意响应光学腔式位移传感器的逆向设计与实现

位移作为一个基本物理量，由于其优良的可测性，往往作为各种传感器的中间物理量。大多数传感器都是将被测量的量，包括力、变形、加速度、角度等，转化为可检测的位移，从而完成测量或感知。因此，高精度、紧凑型位移传感单元是精密传感和先进制造的基石，在基础研究和工业生产中发挥着重要作用。

光学位移传感器，尤其是基于法布里-珀罗腔的传感器，由于其高光学精度和小型化前景，在数十种应用场景中取得了巨大成功。光学位移传感器追求更高的光位移灵敏度、光学对比度和更大的线性范围。

对于基于法布里-珀罗腔的位移传感器，人们总是通过调整腔镜来控制响应和精细度。尽管已经有一系列的理论和模型可以成功地预测光学响应，但是逆向问题，例如具有指定响应的光学腔的设计，在过去由于难以承受的计算成本而极其困难。传统的位移敏感腔设计历来依赖于基于直觉的方法，不能同时调整多个参数和优化相互依赖的特性。

算法开发的进步和计算能力的提高使大量具有所需功能特性的纳米光子结构的逆向设计成为可能。然而，位移敏感型腔的逆向设计是一个典型的多目标优化问题。涉及如何实现高灵敏度、线性和技术可行性的问题仍然悬而未决。此外，普通的数值方法更像是模糊运算，无法帮助理解物理，与简单的公式计算相比成本要高得多。可以说，基于腔体的位移传感单元的逆向设计，使得光位移响应控制具有较大的自由度，具有相当的科学和实用价值。

现在发表在Opto-ElectronicAdvances上的一篇文章的作者结合了特征矩阵方法和支持混合离散变量算法的逆向设计，以建立通向基于光学腔的位移传感器的任意响应的路径。这项工作使用特征矩阵方法来建立变量参数和腔体输出响应之间的联系，并且通过对标其他数值方法证明该方法是简洁和可信的。

采用改进的混合离散遗传算法通过构建自建适应度函数优化光腔的可变参数。该算法适用于材料折射率(每种材料的复折射率编号，简称MI)等离散变量，大大提高了速度。适应度函数包含光学对比度、强度、线性度和对称性等评价因素，并进行适度调整。单层和多层系统均被考虑，最优结果依次通过公差分析以保持较高的工艺可行性。

这项工作提出了两种特定的空腔设计来说明逆向设计的有效性，其中空腔分别具有指定的锯齿状光位移响应和高度对称响应。这样的设计经过实验验证，表明它们具有高对比度和良好的一致性。这使得紧凑型腔成为位移传感器的有前途的候选者，旨在实现高灵敏度和其他性能。

此外，基于半解析逆向设计的流程，包括理论模型设置、混合离散变量进化算法和基于蒙特卡罗方法的公差分析，允许对位移敏感的光学腔进行特定设计，并进一步为通用开辟了道路分层设备的设计。

位移作为一个基本物理量，由于其优良的可测性，往往作为各种传感器的中间物理量。大多数传感器都是将被测量的量，包括力、变形、加速度、角度等，转化为可检测的位移，从而完成测量或感知。因此，高精度、紧凑型位移传感单元是精密传感和先进制造的基石，在基础研究和工业生产中发挥着重要作用。

光学位移传感器，尤其是基于法布里-珀罗腔的传感器，由于其高光学精度和小型化前景，在数十种应用场景中取得了巨大成功。光学位移传感器追求更高的光位移灵敏度、光学对比度和更大的线性范围。

对于基于法布里-珀罗腔的位移传感器，人们总是通过调整腔镜来控制响应和精细度。尽管已经有一系列的理论和模型可以成功地预测光学响应，但是逆向问题，例如具有指定响应的光学腔的设计，在过去由于难以承受的计算成本而极其困难。传统的位移敏感腔设计历来依赖于基于直觉的方法，不能同时调整多个参数和优化相互依赖的特性。

算法开发的进步和计算能力的提高使大量具有所需功能特性的纳米光子结构的逆向设计成为可能。然而，位移敏感型腔的逆向设计是一个典型的多目标优化问题。涉及如何实现高灵敏度、线性和技术可行性的问题仍然悬而未决。此外，普通的数值方法更像是模糊运算，无法帮助理解物理，与简单的公式计算相比成本要高得多。可以说，基于腔体的位移传感单元的逆向设计，使得光位移响应控制具有较大的自由度，具有相当的科学和实用价值。

现在发表在Opto-ElectronicAdvances上的一篇文章的作者结合了特征矩阵方法和支持混合离散变量算法的逆向设计，以建立通向基于光学腔的位移传感器的任意响应的路径。这项工作使用特征矩阵方法来建立变量参数和腔体输出响应之间的联系，并且通过对标其他数值方法证明该方法是简洁和可信的。

采用改进的混合离散遗传算法通过构建自建适应度函数优化光腔的可变参数。该算法适用于材料折射率(每种材料的复折射率编号，简称MI)等离散变量，大大提高了速度。适应度函数包含光学对比度、强度、线性度和对称性等评价因素，并进行适度调整。单层和多层系统均被考虑，最优结果依次通过公差分析以保持较高的工艺可行性。

这项工作提出了两种特定的空腔设计来说明逆向设计的有效性，其中空腔分别具有指定的锯齿状光位移响应和高度对称响应。这样的设计经过实验验证，表明它们具有高对比度和良好的一致性。这使得紧凑型腔成为位移传感器的有前途的候选者，旨在实现高灵敏度和其他性能。

此外，基于半解析逆向设计的流程，包括理论模型设置、混合离散变量进化算法和基于蒙特卡罗方法的公差分析，允许对位移敏感的光学腔进行特定设计，并进一步为通用开辟了道路分层设备的设计。