Дифракционная оптика, оптические технологии. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
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
Моделирование методом голографии Фурье ментальных особенностей лица, принимающего решение
Статья научная
Рассмотрена задача моделирования методом голографии Фурье индивидуальных ментальных особенностей лица, принимающего решение. Решение понимается как выбор из альтернатив. Задача рассмотрена для моделируемой некооперативной игрой «Дилемма заключенного» ситуации противоречия текущих условий ранее усвоенному правилу логики принятия решения. Подход основан на тезисе о коррелированности ментальных особенностей со свойствами материального носителя интеллекта, в качестве которого взята 6 f -схема голографии Фурье кольцевой архитектуры. Схема рассмотрена как трехслойная нейросеть, соответствующая нейрофизиологической концепции «кольца возбуждения» А.М. Иваницкого и порождающая логику с исключением. Дана аналитическая оценка зависимости границы нарушения классической формулы полной вероятности для дизъюнкции несовместных событий от радиуса корреляции эталонного образа и характеристик низкочастотных фильтров на голограммах, хранящих правила принятия решения и исключения из него. Аналитические результаты подтверждены результатами численного моделирования.
Бесплатно
Моделирование микрометалинзы с высокой числовой апертурой и разным числом секторов
Статья научная
Численно с помощью разностного решения уравнений Максвелла показано, что бинарная микролинза с единичной числовой апертурой в тонкой плёнке аморфного кремния, состоящая из субволновых дифракционных решёток, работающих как полуволновые пластинки, фокусирует вблизи своей поверхности падающий на неё лазерный пучок с линейной поляризацией и плоским волновым фронтом почти с одинаковым качеством при числе дифракционных решёток, поворачивающих плоскость поляризации, от 3 до 16. При этом размеры субволнового фокусного пятна по полуспаду интенсивности по декартовым осям равны 0,435 на 0,457 длины волны для 16 секторных дифракционных решеток и 0,428 на 0,460 длины волны для 4 секторных дифракционных решёток.
Бесплатно
Статья научная
С помощью моделирования на основе радиального разностного метода решения уравнений Максвела, ранее адаптированого авторами для радиальной поляризации, показано, что при освещении стеклянного конического микроаксикона с радиусом основания 7 мкм и высотой 6 мкм кольцевой лазерной R-TEM01 модой с радиальной поляризацией и длиной волны lambda=1 мкм в непосредственной близости от вершины конуса на расстоянии 20 нм формируется острый фокус, поперечный диаметр которого по полуспаду интенсивности равен 0,30*lambda, а продольный (осевой) размер фокуса по полуспаду интенсивности равен 0,12*lambda. При этом площадь фокусного пятна по полуспаду интенсивности равна 0,071*lambda2. Для сравнения отметим, что полученное фокусное пятно имеет диаметр в 1,7 раз меньший, чем диаметр минимального дифракционного пятна Эйри (0,51*lambda), а площадь в 2,87 раз меньше, чем площадь пятна Эйри (0,204*lambda2).
Бесплатно
Статья научная
В работе описан математический аппарат, позволяющий моделировать отражение электромагнитной волны от дифракционных решёток, нанесённых на произвольную поверхность. Для решения поставленной задачи использован аналог метода Кирхгофа. В качестве примера рассмотрено отражение от сферической поверхности с дифракционной решёткой. Для моделирования таких систем разработана программа и проведено численное исследование. Рассмотрена возможность обобщения полученных результатов для произвольных дифракционных оптических элементов.
Бесплатно
Статья научная
Предложен новый вариант металинзы - поляризационная микролинза, которая фокусирует линейно поляризованный лазерный свет в субволновое круглое пятно. Поляризационная микролинза состоит из набора субволновых бинарных дифракционных решёток, которыми, как паркетом, выложены кольца зонной пластинки Френеля. Скачок фазы на π, который должна вносить в световое поле зонная пластинка при переходе от зоны к зоне, выполняется в поляризационной микролинзе с помощью двух решёток, примыкающих к границе зоны и формирующих вектора поляризации прошедшего излучения, направленные в противоположенные стороны. Чтобы уменьшить глубину рельефа поляризационной микролинзы, следует использовать материал с высоким показателем преломления. Для аморфного кремния глубина рельефа поляризационной микролинзы может быть от 50 нм до 120 нм. При этом на расстоянии от поляризационной микролинзы в диапазоне от 200 нм до 1300 нм формируется круглое фокусное пятно с диаметром меньше дифракционного предела: минимальное фокусное пятно имеет диаметр 0,372 от длины волны.
Бесплатно
