Статьи журнала - Компьютерная оптика
Все статьи: 2382
Численная фокусировка и поле зрения в интерференционной микроскопии
Статья научная
Представлен анализ эффектов, возникающих на краях поля зрения при численно сфокусированной визуализации оптически расфокусированных объектов в системах интерференционной микроскопии с пространственно когерентным освещением объекта. Получены выражения, описывающие границы областей различного типа в численно сфокусированных изображениях в зависимости от параметров дефокусировки. Получены выражения для оценки допустимых пределов дефокусировки при численно сфокусированной визуализации. Проведено экспериментальное исследование эффектов, возникающих на краях поля зрения при численно сфокусированной визуализации оптически расфокусированных объектов в цифровом голографическом микроскопе с освещением на пропускание.
Бесплатно
Статья научная
Данная работа посвящена исследованию бездисперсионных многомодовых пучков, формируемых с помощью дифракционных оптических элементов (ДОЭ). Приведены результаты экспериментов по формированию и исследованию бездисперсионных многомодовых пучков. Результаты численных и натурных экспериментов находятся во взаимном соответствии.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена численному исследованию поверхностного плазмонного резонанса в изогнутом одномодовом волоконном световоде с металлизированной оболочкой. Показано, что при оптимальном сочетании радиуса изгиба и толщины металлической пленки плазмон-поляритонные волны могут возбуждаться за счет связи между фундаментальной и плазмонной модами через посредство оболочечных мод шепчущей галереи. Данный эффект приводит к формированию резонансного провала в спектре пропускания световода на длине волны, сильно зависящей от показателя преломления внешней среды. Это открывает возможность построения волоконно-оптического плазмон-поляритонного рефрактометра на одномодовом световоде, не нарушая его структурной целостности и не используя дополнительных волноводных элементов. Продемонстрирована возможность рефрактометрических измерений с чувствительностью ~12 мкм на единицу показателя преломления.
Бесплатно
Численное исследование пространственной структуры когерентных волновых полей оптического диапазона
Статья научная
Представлены результаты подробного тестирования программ вычисления дифракционного интеграла Кирхгофа для случая плоских оптических элементов произвольной формы. Изучено влияние изменения формы плоских оптических элементов и гауссовых неоднородностей интенсивности освещающего пучка на пространственное распределение дифракционных волновых полей. В случае осевой симметрии задачи в приближении Фраунгофера и Френеля получены аналитические представления дифракционного интеграла в виде рядов по функциям Бесселя, удобные для изучения асимптотического влияния неоднородностей интенсивности падающего пучка. Изучена структура волнового поля в окрестности геометрооптической параболы, фокальной точки и осевого отрезка с "равномерным" распределением интенсивности.
Бесплатно
Численное моделирование вихревых структур в высокочастотном электромагнитном поле
Статья научная
Проведено численное моделирование нестационарных вихревых плазменно-газодинамических структур, формирующихся в закрученном потоке в открытой трубке под действием высокочастотного электромагнитного поля. Показано, что при совпадении частоты внешнего поля с собственной частотой резонатора происходит резкий скачок флуктуаций газодинамических полей, индуцирующий изменения структуры разряда.
Бесплатно
Статья научная
В работе предлагается математическая модель на основе векторного метода конечных элементов для исследования распределения электромагнитного поля в ближней зоне пары сферических наночастиц. Данная модель позволила разработать алгоритмы и соответствующее программное обеспечение. Была проведена верификация, показавшая, что расхождение результатов исследования предлагаемой математической модели и имеющихся данных расчётов по аналитическим формулам согласно теории Ми (G. Mie) для однородных сферических наночастиц не превышает 10 %. С помощью созданного программного обеспечения проведён вычислительный эксперимент с целью определения расположения пары металлических наночастиц, при котором интенсивность электромагнитного поля в ближней зоне будет достигать наибольшего значения. Достоинством предлагаемой математической модели и методики её применения является использование в качестве конечных элементов тетраэдров, позволяющих с достаточной для практических целей точностью аппроксимировать неоднородную структуру наноматериала. Кроме того, обеспечивается непрерывность во всей расчётной области тангенциальной компоненты электромагнитного поля.
Бесплатно
Численное решение нелинейного уравнения Шредингера в декартовой системе координат
Статья научная
Для решения уравнения Шредингера, описывающего распространение электромагнитной волны в нелинейной среде, строится разностная схема типа Писмена-Рекфорда с итерационным уточнением, имеющая квадратичный порядок точности по всем трем пространственным переменным. Для исследования схемы рассмотрены частные случаи задачи, допускающие аналитическое решение. Проведено сопоставление аналитического и численного решений. Приведены результаты численного моделирования процесса распространения электромагнитной волны в нелинейной среде, позволяющие наблюдать как явление самофокусировки светового пучка, так и его самодефокусировки, что полностью согласуется с теорией электромагнитных волн [1]. Отмечается возможность применения разностной схемы для исследования процессов распространения электромагнитной волны в средах с пространственно-зависимым показателем преломления.
Бесплатно
Численное решение нелинейного уравнения Шредингера в радиально-симметричном случае
Статья научная
Для решения уравнения Шредингера, описывающего распространение электромагнитной волны в нелинейной среде, используется консервативная разностная схема с итерационным уточнением, которая имеет квадратичный порядок точности по направлению распространения волны и близкий к квадратичному по радиальной переменной. Результаты, полученные с помощью вычислительных экспериментов, полностью подтверждают теоретические исследования. Важной особенностью данного метода является возможность моделирования процесса распространения волны на расстояние порядка десятков метров в нелинейной среде.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены методы численного моделирования задач дифракционной оптики, включающие методы разностного решения систем уравнений Максвелла для задач дифракции электромагнитного излучения на элементах микро-оптики, методы конечных и граничных элементов, модовые методы решения задач дифракции света на периодических структурах типа дифракционных решеток и фотонных кристаллов, а также методы расчета собственных мод оптических волноводов с неоднородной поперечной структурой (фотонных волноводов).
Бесплатно
Статья научная
В настоящей работе рассматривается применение машинного и глубокого обучения в спектральном анализе многокомпонентных газовых смесей. Экспериментальная установка состоит из квантово-каскадного лазера с диапазоном перестройки 5,3 - 12,8 мкм пиковой мощностью до 150 мВт и астигматической газовой ячейки Эрриотта с длиной оптического пути до 76 м. В качестве тестовых веществ использовались ацетон, этанол, метанол и их смеси. Для обнаружения и кластеризации веществ, в том числе молекул-биомаркеров, предложены методы машинного обучения, такие как стохастическое вложение соседей с t-распределением, метод главных компонент и методы классификации, такие как случайный лес, градиентный бустинг и логистическая регрессия. Для спектрального анализа газовых смесей использована неглубокая свёрточная нейронная сеть на базе TensorFlow (Google) и Keras. В качестве обучающей выборки использовались модельные спектры веществ, а в качестве тестовой - модельные и экспериментальные. Показано, что нейронные сети, обученные на модельных спектрах (база данных NIST), могут распознавать вещества в экспериментальных газовых смесях. Предложено использовать нейронные сети для идентификации газовых смесей как единого целого. На экспериментальной установке зарегистрированы следующие минимальные концентрации: 80 ppb для ацетона и 100 - 120 ppb для этанола и метанола. Показана возможность применения предложенных методов для анализа спектров выдыхаемого человеком воздуха.
Бесплатно
Численные методы и алгоритмы построения полей направлений квазипериодических структур
Статья научная
Описываются новые численные методы построения поля направления, приводится полная классификационная схема методов и алгоритмов построения поля направлений, описание ее классов. Дается сравнительный анализ алгоритмов по точности и быстродействию в отдельных классах, а также между классами указанной схемы. Приводятся примеры практических задач анализа изображений, решаемых с использованием поля направлений (анализ дактилограмм, кристаллограмм биологических сред).
Бесплатно
Статья научная
Разработаны алгоритмы численного решения задачи идентификации веществ и восстановления их концентраций по инфракрасным спектрам среднего разрешения в области 7-14 мкм, полученным на ИК фурье-спектрорадиометре. Алгоритмы позволяют идентифицировать вещества по единичному спектру открытой атмосферной трассы. Вместо рассмотрения многомерной системы линейных уравнений предлагается решать одну или несколько одномерных задач. Переход к одномерной задаче осуществляется методами корреляционного анализа. Исследовано влияние шумов в исходном спектре на ошибки решения задачи определения концентраций.
Бесплатно
Статья научная
Актуальной проблемой синтеза элементов дифракционной оптики являются потери энергии, связанные с френелевским отражением, что особенно существенно при фокусировке излучения мощных технологических лазеров. Относительно высокий показатель преломления алмаза приводит к тому, что из-за потерь на отражение пропускание алмазной пластины на длине волны 10,6 мкм не превышает 71%. Поэтому особую актуальность приобретает задача просветления алмазных оптических элементов - то есть снижения потерь на френелевское отражение. В данной статье излагается метод, позволяющий моделировать прохождение лазерного излучения через антиотражающую структуру в рамках электромагнитной теории света.
Бесплатно
Численный анализ субволновой фокусировки с помощью кремниевого цилиндра
Статья научная
Произведён анализ влияния изменения размера кремниевого цилиндра с субволновым радиусом на картину дифракции Гауссовых пучков с круговой поляризацией на основе применения метода конечных разностей во временной области. Численно показано, что Гауссов пучок можно сфокусировать вблизи поверхности элемента в световое пятно, размер которого по полуспаду интенсивности равен 0,25λ. В работе демонстрируется, что кремниевый цилиндр, освещённый лазерным пучком с вихревой фазовой сингулярностью первого порядка, формирует световое пятно, центральная часть которого в основном сформирована продольной компонентой электрического поля (размер по полуспаду интенсивности равен 0,29λ).
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается влияние эффекта нелокальности на оптические характеристики ближнего поля резонатора плазмонного нанолазера. На основе метода дискретных источников строится компьютерная модель, позволяющая проводить анализ характеристик ближнего поля слоистой наночастицы, располагающейся на прозрачной подложке в активной среде. При этом учет нелокальности плазмонного металла осуществляется в рамках модели обобщенного нелокального отклика. Исследуется возбуждение частицы как распространяющейся, так и неизлучающей волной. Установлены «оптимальные» направления внешнего возбуждения. Оказалось, что возбуждение неизлучающей волной ведет к большей интенсивности ближнего поля. Показано, что учет эффекта нелокальности в плазмонном металле существенно снижает коэффициент усиления поля.
Бесплатно
Статья научная
В настоящей работе обосновывается гипотеза о том, что шаровая молния, иногда наблюдающаяся в природных условиях, представляет собой область пространства, в которой протекает цепная ядерная реакция индуцированного β-распада ядер радиоактивного фосфора в связанное состояние.
Бесплатно
Статья научная
Проанализировано качество обращения волнового фронта при шестиволновом взаимодействии в двумерных многомодовых волноводах с керровской нелинейностью при условии, что одна из волн накачки возбуждает нулевую моду волновода, а распределение амплитуды другой волны накачки на грани волновода меняется по гауссову закону. Показано, что в волноводе с бесконечно проводящими стенками полуширина модуля функции размытия точки шестиволнового преобразователя излучения полностью определяется поперечными размерами волновода, слабо зависит от ширины гауссовой волны накачки. В волноводе с параболическим профилем показателя преломления уменьшение ширины гауссовой волны накачки на гранях волновода приводит, как правило, к монотонному уменьшению полуширины модуля функции размытия точки.
Бесплатно
Статья научная
Исследована пространственная селективность шестиволновых преобразователей излучения, осуществляющих удвоенное обращение волнового фронта сигнальной волны в длинных многомодовых волноводах как с керровской, так и тепловой нелинейностями. В качестве волноводов использовались волноводы с бесконечно проводящими поверхностями, с параболическим изменением показателя преломления. Показано, что пространственная структура первой волны накачки не влияет на качество удвоенного обращения волнового фронта в волноводе с керровской нелинейностью, слабо влияет на качество удвоенного обращения волнового фронта в волноводе с тепловой нелинейностью. Уменьшение на задней грани волновода радиуса второй гауссовой волны накачки приводит к улучшению качества удвоенного обращения волнового фронта как при шестиволновом взаимодействии на керровской, так и на тепловой нелинейностях. В параболическом волноводе при возбуждении волнами накачки нулевой моды волновода и неизменной частоте первой волны накачки увеличение частоты второй волны накачки улучшает качество удвоенного обращения волнового фронта.
Бесплатно
Статья научная
Исследована пространственная селективность шестиволнового преобразователя излучения w1 + w1 + w2 - w1 - w1 = w2 на тепловой нелинейности с учетом нелинейного коэффициента поглощения. Проанализированы зависимости полуширин полос пространственных частот как объектных волн, связанных непосредственно с тепловой нелинейностью, так и объектных волн, связанных с наличием тепловой нелинейности, и с нелинейным характером изменения коэффициента поглощения от расходимости сигнальной волны, толщины нелинейной среды, интенсивности волны накачки. Показано, что при большой расходимости сигнальной волны полуширины полос пространственных частот объектных волн с удвоенным обращенным волновым фронтом отличаются в несколько раз.
Бесплатно
Эволюционный детерминированный алгоритм глобальной оптимизации атомных кластеров Морса
Статья научная
В статье предлагается новый эволюционный детерминированный алгоритм глобальной оптимизации геометрических структур кластеров Морса. Эвристики, используемые в алгоритме, основанные на специфических особенностях решаемой задачи, позволили обеспечить ему полиномиальную сложность. Приводятся результаты вычислительных экспериментов, подтверждающие эффективность предложенного подхода при решении задачи поиска атомных кластеров Морса с минимальной энергией.
Бесплатно
