Дифракционная оптика, оптические технологии. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
Механизм сверхразрешения в планарной гиперболической секансной линзе
Статья научная
Получено интегральное представление для ТЕ-волны в 2D среде от точечного источника, находящегося вне этой среды (линия раздела сред - прямая), и аналогичное представление для светового поля за плоскопараллельной пластиной. При этом выделено три типа волн, дающих вклад в световое поле: распространяющиеся волны, поверхностные волны первого и второго типов. Произведено сравнение числовых апертур рефракционных линз ближнего поля (SIL, NAIL) и планарной гиперболической секансной линзы, показано, что они близки между собой и отличаются для кремния всего на 5%. Моделирование с помощью программы FullWAVE показало, что добавление к градиентной гиперболической секансой линзе субволновой дифракционной решётки или замена такой линзы её бинарным аналогом приводят к уменьшению ширины фокусного пятна на 10% и 20% по сравнению с дифракционным пределом в данной среде.
Бесплатно
Механизм формирования обратного потока энергии в остром фокусе
Статья научная
Теоретически показано, что в интерференционной картине четырёх плоских волн со специально подобранными направлениями векторов линейной поляризации формируется обратный поток энергии. Области прямого и обратного потока перемежаются в шахматном порядке. Величина обратного потока прямо зависит от угла схождения плоских волн и максимальна при угле схождения, близком к 90 °. Правые тройки векторов четырёх плоских волн (волновой вектор с положительной проекцией на оптическую ось и вектора напряжённостей электрического и магнитного полей) при сложении в некоторых областях интерференционной картины формируют электромагнитное поле, описываемое правой тройкой тех же векторов, но волновой вектор имеет отрицательную проекцию на оптическую ось. Также показано, что если в область обратного потока поместить сферическую диэлектрическую рэлеевскую наночастицу, то на неё будет действовать сила, направленная в обратном направлении (при этом рассеивающая сила будет больше градиентной).
Бесплатно
Минимальное субволновое фокусное пятно по потоку энергии
Статья научная
Теоретически и численно показано, что распределение осевого потока энергии в остром фокусе света с круговой и линейной поляризацией одинаковые и обладают круговой симметрией. Также показано, что равны осевые потоки энергии для оптических вихрей с единичным топологическим зарядом и с радиальной или азимутальной поляризацией. Минимальный диаметр (при прочих равных условиях) имеет фокусное пятно, измеренное по интенсивности для оптического вихря с азимутальной поляризацией. Немного больше (на доли процента) диаметр фокусного пятна, рассчитанного по потоку энергии для света с круговой или линейной поляризацией. Величина диаметра по интенсивности играет роль при взаимодействии света с веществом, а величина диаметра по потоку энергии влияет на разрешение в оптической микроскопии.
Бесплатно
Минимальный размер фокусного пятна при фокусировке света круговой поляризации
Статья научная
В данной работе с помощью формализма Ричардса-Вольфа рассмотрена фокусировка света с круговой поляризацией плоскими дифракционными линзами. Было показано, что при увеличении числовой апертуры линзы размер фокусного пятна сначала уменьшается, а потом начинает расти. Минимальное фокусное пятно наблюдается при NA = 0,96 (FWHM = 0,55λ). При дальнейшем увеличении числовой апертуры линзы рост продольной составляющей приводит к увеличению размера фокусного пятна. При замене плоской дифракционной линзы на апланатический объектив размер фокусного пятна монотонно уменьшается при увеличении числовой апертуры линзы. Также показано, что в остром фокусе наблюдается конверсия поляризации - возникают области, в которых направление вращения круговой поляризации противоположно направлению вращения поляризации в исходном пучке.
Бесплатно
Статья научная
В работе рассмотрена минимизация размера фокального пятна (светового или теневого) при различных типах поляризации за счёт дополнительной аподизации выходного зрачка фокусирующей системы оптическим элементом с вихревой фазовой зависимостью от угла и полиномиальной амплитудной зависимостью от радиуса. Коэффициенты в радиальном полиноме оптимизировались с учётом выполнения определённых условий, в частности, сохранения энергетической эффективности и обеспечения заданного уровня боковых лепестков. Поиск коэффициентов выполнялся на основе минимизации функционала с использованием метода Брента.
Бесплатно
Статья научная
Мы рассматриваем подход к расчету преломляющего оптического элемента, формирующего заданное распределение освещенности в дальней зоне при условии параллельного освещающего пучка лучей, на основе некоторой вариационной задачи. Мы рассматриваем явную формулировку этой задачи в виде задачи перемещения масс Монжа–Канторовича. Также показывается простая взаимосвязь задачи перемещения масс с двойственной линейной вариационной задачей, численное решение которой рассматривается. Прямое решение задачи такого типа представляет огромную вычислительную сложность. Для преодоления данной трудности можно использовать так называемый многомасштабный подход, основанный на построении цепочки приближений, являющихся решениями на сгущающихся сетках.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе предложены и разработаны гибридные многопорядковые дифракционные оптические элементы, согласованные с набором волновых аберраций и полиномов Цернике. Наличие в одном дифракционном оптическом элементе сочетания двух разных типов согласованных функций позволяет использовать его для идентификации волновых аберраций различной величины в диапазоне от 0,05λ до 0,5λ. На основе численного моделирования показано, что многопорядковые дифракционные оптические элементы позволяют в одной плоскости формировать набор аберрационно-преобразованных картин. Введены критерии для идентификации сверхмалых аберраций (до 0,1λ) и аберраций большей величины (до 0,5λ). Разработан алгоритм автоматизированного выделения на картинах фокальной интенсивности областей целевого интереса. Проведён расчёт 49-канального оптического элемента, согласованного с волновыми аберрациями до 4-го порядка (в терминах функций Цернике) и функциями Цернике. На тестовых аберрированных волновых фронтах показана возможность использования предложенных оптических элементов для отличия аберраций разного диапазона, а также для определения их типа и веса.
Бесплатно
Статья научная
Проведено исследование преобразования анализируемого объекта набором из нескольких пространственных фильтров, включая полосовые, дифференциальные, радиальные и вихревые различных типов, а также фильтры Гильберта. Численно продемонстрированы преимущества и недостатки различных фильтров по четкости, инвариантности направления выделения краев, а также энергетической эффективности. На основе полученных результатов разработаны многопорядковые оптические пространственные вихревые фильтры для одновременного выделения контуров различных частей объекта. При этом показано, что многопорядковый фильтр позволяет в одной плоскости формировать набор картин с чётко выделенным полным контуром, углами объекта и различными частями контура. Проведена численная и экспериментальная апробация 4- и 5-канальных пространственных вихревых фильтров различных типов на тестовых объектах. Показана возможность использования предложенных фильтров для одновременного выделения краёв всего изображения и различных частей изображения с целью извлечения большего числа особенностей из анализируемого изображения.
Бесплатно
Многофокусная металинза для детектирования различных топологических зарядов при разных длинах волн
Статья научная
Рассмотрена комбинированная высокоапертурная металинза в тонкой пленке нитрида кремния диаметром 14 мкм, состоящая из двух наклонных секторных металинз, каждая из которых состоит из набора бинарных субволновых решеток. Моделирование методом конечных разностей во временной области показало, что металинза может одновременно детектировать оптические вихри с двумя топологическими зарядами -1 и -2 почти во всем видимом диапазоне длин волн. Металинза может селектировать несколько длин волн, которые фокусируются в разных точках фокальной плоскости: изменение длины волны на 1нм приводит к смещению фокусного пятна примерно на 4 нм. При освещении металинзы гауссовым пучком с левой круговой поляризацией одновременно формируются два оптических вихря с топологическими зарядами 1 и 2 на расстоянии 6 мкм между собой при фокусном расстоянии линзы 6 мкм. Данную металинзу можно использовать для уплотнения канала передачи информации в беспроводных телекоммуникационных системах с помощью селекции пространственно-временных мод лазерного излучения с разными топологическими зарядами и разными длинами волн. Такая микролинза является примером компактного демультиплексора.
Бесплатно
Многофокусная спектральная дифракционная линза
Статья научная
Предложен метод расчёта спектральной многофокусной дифракционной линзы, формирующей заданный набор фокусов с фиксированными положениями при нескольких различных длинах волн. Метод основан на минимизации функции, представляющей квадрат модуля разности между комплексными амплитудами пучков, формируемых микрорельефом спектральной линзы для заданных длин волн, и функциями комплексного пропускания многофокусных линз, рассчитанных для указанных длин волн. В качестве примера были рассчитаны зонные пластинки, формирующие три фиксированных фокуса при трёх и четырёх длинах волн. Полученные результаты могут найти применение при разработке и создании новых многофокусных контактных и интраокулярных линз с уменьшенными хроматическими аберрациями.
Бесплатно
Статья научная
Произведено моделирование и выбор оптимальных параметров дифракционной решётки для новой разработанной технологии изготовления плоских волноводных систем. В отличие от использования готовых пластин «кремний на изоляторе», разработана новая технология изготовления полностью автономной системы ввода излучения, согласующего элемента и собственно волновода. Приведено общее описание технологии системы «ввод излучения -распространение - вывод излучения». Найдены конкретные технологические параметры высоты решётки, подстилающего и покровного слоёв. Эффективность ввода в волновод составила 30 % за счёт подбора оптимального расстояния от волновода до кремниевой подложки, которая работает как зеркальный слой.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена исследованию влияния клина травления на фокусировку излучения дифракционными микролинзами с апертурой 16 длин волн и числовой апертурой 0,71. Рассматриваются случаи клина травления, характерные для жидкостной химической и плазменно-химической технологий.
Бесплатно
Моделирование волноводных режимов в многослойных структурах
Статья научная
В работе на основе метода поперечного пропускания/отражения (TTR) разработан алгоритм расчёта констант распространения вытекающих мод для многослойной планарной структуры. Приводятся результаты моделирования и даётся сравнение постоянных распространения вытекающих мод ARROW структуры, полученных указанным методом, с известными из литературы константами. Также приводятся рассчитанные профили некоторых вытекающих мод.
Бесплатно
Моделирование генерации оптических вихрей с помощью спиральной зонной пластинки из серебра
Статья научная
С помощью FDTD-метода, реализованного в пакете FullWAVE (RSoft), промоделирован процесс формирования оптических вихрей в ходе распространения Гауссова пучка с круговой (левой или правой) поляризацией через фазовую и амплитудную спиральные зонные пластинки с топологическим зарядом 2, диаметром 8 мкм, фокусным расстоянием 532 нм. Исследование амплитуды и фазы распределений в фокальной плоскости показывает наличие оптических вихрей с топологическим зарядом 2. Анализ продольной компоненты вектора Умова-Поинтинга показал наличие обратного потока энергии в области фокуса. При этом в случае использования амплитудной спиральной зонной пластинки величина обратного потока много меньше, чем в случае фазовой спиральной зонной пластинки.
Бесплатно
Моделирование движения биологических микрообъектов в световых пучках
Статья научная
Разработан метод расчета сил и моментов сил, действующих на биологические микрообъекты в световых пучках с заданным амплитудно-фазовым распределением. Рассмотрены эксперименты по оптическому захвату клеток дрожжей, и проведено сравнение сил, рассчитанных по экспериментальным данным с силами, полученными в модели. Показано качественное соотношение данных моделирования и натурного эксперимента.
Бесплатно
Моделирование дифракции света на полуплоскости методами геометрической оптики
Статья научная
Предлагается математическая модель пространственного распределения потока излучения, который возникает при дифракции плоской волны на полуплоскости. В этой модели пространственное распределение потока излучения описывают лучи с нанизанными на них потоками излучения. Особенностью предлагаемой модели является то, что нанизанные на лучи потоки излучения складываются алгебраически.
Бесплатно
Статья научная
Предложен математический аппарат, проведены исследования изображения в плоскости регистратора гиперспектрометра по схеме Оффнера, определены условные допуски на положение элементов спектрометра. Результат моделирования совместного действия погрешностей показал, что вероятность удачной сборки гиперспектрометра с соблюдением требований по качеству изображения будет не меньше 0,9.
Бесплатно
Статья научная
Предложена модель объектива-суперахромата, состоящая из бесконечно тонких корректора хроматизма и силовой положительной линзы. С использованием этой модели исследовано влияние материалов линз корректора на максимальную по модулю оптическую силу его рефракционных линз. Исследование охватывало свыше тысячи наименований марок стекла и оптических пластмасс, что позволило достоверно оценить возможности рефракционного и рефракционно-дифракционного корректора хроматизма и прогнозировать целесообразность использования корректора того или иного типа.
Бесплатно
Моделирование и расчет голограммного комбинера виртуального дисплея
Статья научная
Представлены пути и приёмы моделирования и расчёта голограммного комбинера виртуального дисплея, позволяющие, с одной стороны, обеспечить высокую и не зависящую от полевого угла дифракционную эффективность голограммы Денисюка, а с другой - в максимальной степени реализовать преимущества, открывающиеся благодаря замене на голограммный комбинер многослойного диэлектрического зеркала.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена поиску биологически мотивированного механизма когнитивного феномена нарушения классической формулы полной вероятности для дизъюнкции несовместных событий, относимого рядом исследователей к категории квантово-подобных. Показан классический механизм, не требующий обращения к квантовой механике ни по физической сути, ни на уровне формализма и реализуемый 6 f - схемой голографии Фурье резонансной архитектуры. Рассмотрение проведено в рамках задачи принятия решения как оценки альтернатив на примере некооперативной игры «Дилемма заключенного». Подход к проблеме основан на поиске механизма формирования условной оценки при условии, противоречащем правилу монотонной логики принятия решения. Показано, что эта оценка, в отличие от безусловной и условной при непротиворечащем условии, формируется логикой с исключением. Кольцевая архитектура голографической схемы соответствует биологически обоснованной нейросетевой концепции кольца возбуждения и реализует когнитивный диссонанс на логике с исключением. Аналитически определены условия и границы диапазона нарушения классической формулы полной вероятности в зависимости от радиуса корреляции эталонного образа, записанного на голограмме, хранящей правило вывода монотонной логики. Аналитическая модель подтверждена количественным совпадением результатов численного моделирования с опубликованными результатами натурных экспериментов.
Бесплатно
