Дифракционная оптика, оптические технологии. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
Обратный поток энергии в фокусе цилиндрического векторного пучка
Статья научная
С помощью формул Ричардса-Вольфа доказано, что при острой фокусировке апланатической системой лазерного пучка с произвольной функцией аподизации и азимутально-радиальной поляризацией m-го порядка на оптической оси в плоскости фокуса имеет место обратный поток световой энергии (при m = 2) или на оптической оси в фокусе обратный поток равен нулю, а вблизи оси обратный поток растёт по модулю квадратично от расстояния до оси (при m = 3). Азимутально-радиальный пучок m-го порядка является примером поляризационного вихря. Ранее обратный поток энергии в фокусе был обнаружен только для вихревых лазерных пучков с топологическим зарядом m и круговой поляризацией. Численно с помощью FDTD-метода и формул Ричардса-Вольфа показано, что в фокусе зонной пластинки для таких лазерных пучков имеются области, в которых направление вектора Пойнтинга противоположно направлению распространения пучка.
Бесплатно
Статья научная
С помощью формул Ричардса - Вольфа для дифракционной линзы показано, что при острой фокусировке произвольного оптического вихря с топологическим зарядом 2 и левой круговой поляризацией в плоскости фокуса на оптической оси имеет место обратный поток световой энергии (осевая проекция вектора Пойнтинга отрицательная). Такой же результат мы получили численно с помощью строгого расчёта FDTD-методом дифракции плоской волны с левой круговой поляризацией на вихревой зонной пластинке с топологическим зарядом 2 и числовой апертурой около 1. Причём величина обратного потока сравнима с прямым потоком энергии. Мы также показали, что обратный поток энергии в рассматриваемом случае имеет место на всей оптической оси, но максимальное по модулю значение имеет в плоскости фокуса и быстро спадает при удалении от него. Длина отрезка вдоль оптической оси, на которой значение модуля обратного потока спадает в два раза (глубина обратного потока), почти совпадает с глубиной фокуса, а поперечный кружок, в котором поток энергии обратный, примерно совпадает с диском Эйри.
Бесплатно
Обратный поток энергии для оптического вихря с произвольным целым топологическим зарядом
Статья научная
Для произвольного оптического вихря с целым топологическим зарядом m и круговой поляризацией получены явные выражения для всех проекций векторов напряженности электрического и магнитного поля вблизи фокуса, а также выражения для интенсивности (плотности энергии) и потока энергии (проекции вектора Пойнтинга) в плоскости фокуса в апланатической оптической системе. Из полученных выражений следует, что вблизи оптической оси в плоскости фокуса оптического вихря c m > 2 и левой круговой поляризацией обратный поток энергии на самой оптической оси равен нулю и растет по модулю как степень 2(m - 2) радиальной координаты. Также из полученных формул следует, что вблизи плоскости фокуса обратный поток энергии вращается вокруг оптической оси.
Бесплатно
Обратный поток энергии у непараксиального оптического вихря в ближней зоне
Статья научная
В работе на основе разложения по плоским волнам получены все шесть проекций векторов напряжённости электрического и магнитного поля для оптического вихря с произвольным целым топологическим зарядом с эллиптической поляризацией. Получены также выражения для распределения интенсивности и проекций вектора Пойнтинга в начальной плоскости этого оптического вихря. В частном случае узкого углового спектра плоских волн (пучок Бесселя) и круговой поляризации показано, что при наличии в начальном световом поле неоднородных затухающих волн вблизи оптической оси может возникать обратный поток световой энергии. Также показано, что в начальной плоскости имеет место эффект «углового трактора», когда на разных радиусах относительно оптической оси поперечный поток энергии вращается по часовой и против часовой стрелки. С помощью полученных общих выражений можно анализировать особенности светового потока и для других известных точных решений уравнения Максвелла.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается применение объединенного метода на основе конечных элементов и граничных элементов для анализа задачи дифракции электромагнитной волны на цилиндрическом периодическом объекте, период которого сравним с длиной волны. Результаты моделирования диэлектрических дифракционных решеток с различным периодом были сравнены с аналогичными результатами, полученными известным методом связанных волн.
Бесплатно
Одномерный фотонный кристалл на основе нанокомпозита: металлические наночастицы - диэлектрик
Статья научная
В работе исследован одномерный фотонный кристалл на основе нанокомпозита: металлические наночастицы - диэлектрик. Предсказано возникновение эффекта расщепления единой зоны на поляритонную и структурную фотонную запрещенную зону. Найдено различие в поведении структурной фотонной запрещенной зоны при изменении концентрации металлических наночастиц, в зависимости от ее положения относительно поляритонной фотонной запрещенной зоны. Рассмотренные эффекты позволяют расширить возможности создания новых фотонных кристаллов с заданными свойствами.
Бесплатно
Однослойные киноформные элементы для фото- и видеокамер мобильных устройств
Статья научная
Скорректированы условия, гарантирующие отсутствие визуально наблюдаемого гало в изображении, формируемом камерой мобильного электронного устройства, объектив которого включает дифракционную линзу с однослойной пилообразной рельефно-фазовой микроструктурой. На примере пластмассово-линзового объектива, предназначенного для смартфона, продемонстрированы целесообразность и эффективность включения в его схему дифракционной линзы с однослойной микроструктурой, не приводящей к возникновению визуально наблюдаемого гало.
Бесплатно
Статья научная
Представлен метод определения концентрации органических загрязнений на поверхности диоксида кремния по картам латеральных сил и топологии поверхности, полученным методами атомно-силовой микроскопии. Проведена оптимизация значения скорости сканирования, позволяющая повысить контрастность получаемых изображений и облегчить интерпретацию получаемых данных. Экспериментально показано, что чувствительность разработанной методики достигает значения 10-11 г/см2. Ключевые слова: концентрация органических загрязнений, латеральные силы.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены закономерности формирования цветных интерференционных картин однослойных тонких фазовых объектов в оптической микроскопии при использовании полихроматического излучения. Получены выражения для распределения интенсивности интерференционного поля изображения с учетом спектральных свойств излучения. Разработан алгоритм компьютерного расчета и формирования цветных интерференционных изображений в белом свете в зависимости от оптической толщины слоистого объекта в рамках цветовой модели RGB. Представлены результаты моделирования изображений, показаны изменения в цвете и структуре интерференционной картины при варьировании параметров оптической системы микроскопа, формы, размеров и оптических свойств объекта. Показана возможность определения оптической толщины слоя объекта путем численного сравнения интерференционных цветов, получаемых в численном и натурном экспериментах.
Бесплатно
Статья научная
Представлены два новых метода решения обратной задачи рефлектометрии для оценки параметров дифракционной решетки с трапецеидальным профилем. Методы основаны на построении полиномиальных аппроксимаций разного вида для параметров нулевого отраженного порядка дифракции. Использование полиномиальных аппроксимаций вместо решения задачи дифракции обеспечивает возможность оценки параметров решетки в реальном времени. Приведенные результаты численного исследования свидетельствуют о высокой точности и скорости методов.
Бесплатно
Статья научная
Приведены результаты численного моделирования и экспериментального исследования применения метода спекл-структур оптического излучения с использованием спиральных пучков лазерного излучения для определения параметров шероховатости и дефектации поверхности оптически непрозрачных деталей воздушного судна. Показано, что использование спирального волнового фронта в качестве зондирующего повышает чувствительность и точность метода.
Бесплатно
Статья научная
Представлены прибор и методика расчета погрешностей измерения радиусов кривизн оптических деталей с помощью лазерного дальномера. Показано влияние погрешностей юстировки прибора с датчика волнового фронта на измерение радиусов зеркал. Приведены расчеты погрешностей методики измерения радиуса дальномером. Проведенный компьютерный анализ показал, что разработанная схема учета рассогласования позволяет оценить точность измерения радиуса зеркала на уровне относительной погрешности 0,02 - 0,3 % для зеркал с радиусами от 1 до 10 м. Обоснован выбор точностных характеристик используемых дальномеров для задач определения радиуса кривизны оптических деталей.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлен оптический метод оценки поперечного ветра, основанный на анализе турбулентных искажений изображения подсвеченной лазерным пучком диффузной мишени. Предложенный корреляционный алгоритм обработки видеоизображений позволяет в режиме реального времени делать оценку скорости поперечного ветра с использованием одного приемного объектива при подсветке мишени в видимом либо инфракрасном диапазоне. Проведена экспериментальная проверка метода на атмосферной трассе. Оптические оценки интегрального ветра сопоставлены с данными независимых локальных измерений шести ультразвуковых анемометров, расположенных вдоль трассы.
Бесплатно
Определение состава объекта по его гиперспектральному изображению
Статья научная
В статье приведены результаты исследований и разработки гипервидеоспектрометра скважинного флюида в реальных условиях эксплуатации и спектральном диапазоне от 0,35 мкм до 2,1 мкм. Разработана математическая модель и алгоритм идентификации скважинного флюида по составу и процентному содержанию по результатам анализа гиперспектрального изображения.
Бесплатно
Статья научная
На данный момент в связи с дефицитом радиочастотного спектра возникает необходимость в развитии технологий, позволяющих использовать этот спектр эффективнее. Одна из таких технологий предполагает применение радиоволн с орбитальным угловым моментом. В данной работе предложен новый количественный метод определения числа одиночных состояний пучка несущего орбитального углового момента, основанный на анализе S21 параметра системы. Это позволяет приемному устройству быть настроенным на прием лучей с определенным состоянием орбитального углового момента. Радиоволны, несущие орбитальный угловой момент, имеют частоту 80 ГГц. В качестве передающей антенны был применен пирамидальный рупор, радиоволну от которого закручивала спиральная фазовая пластина. Приемные антенны, расположенные в матрице, представляли из себя диполи. Исследованы ограничения данного метода. Работа представляет собой эксперимент на компьютерной модели.
Бесплатно
Определение топологического заряда оптического вихря с помощью астигматического преобразования
Статья научная
В работе теоретически и экспериментально показано, что если внести цилиндрическую линзу в лазерный пучок с оптическим вихрем с целым топологическим зарядом n и с нулем интенсивности на оптической оси, то на расстоянии за линзой, равном ее двойному фокусному расстоянию, n -кратно вырожденный ноль интенсивности разделяется на n изолированных нулей интенсивности, которые лежат на прямой в поперечной плоскости под углом плюс или минус 45 градусов к оси цилиндрической линзы в зависимости от направления спиральности оптического вихря (или от знака топологического заряда). Экспериментально показано, что таким методом можно определить топологический заряд с большим номером n = 100.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе представлен новый оптимизационный метод для расчёта осесимметричных оптических элементов светодиодов, формирующих заданные узкоугольные распределения освещённости. Метод основан на использовании разработанной процедуры быстрой трассировки лучей, в которой используется аппроксимация оптических поверхностей набором усечённых конусов. В качестве примера рассчитан оптический элемент, формирующий равномерно освещённую круглую область с угловым размером 60° для ламбертовского протяжённого источника излучения 1x1 мм. Световая эффективность рассчитанного оптического элемента составляет около 91,5 %, среднеквадратичное отклонение сформированного распределения освещённости от заданного – менее 5 %.
Бесплатно
Оптимизационный метод расчета оптических элементов при протяженном источнике излучения
Статья научная
Рассмотрен метод расчёта оптического элемента с двумя поверхностями свободной формы, формирующего заданное распределение освещенности для протяженного источника излучения. Метод основан на представлении поверхностей оптического элемента бикубическими сплайнами и последующей оптимизации их параметров с помощью квазиньютоновского метода, реализованного в пакете Matlab. Для расчета целевой функции предложен вариант метода трассировки лучей. С использованием предложенного метода рассчитан оптический элемент, имеющий рекордные характеристики: отношение высоты элемента к размеру источника излучения - 1,6; световая эффективность - 89,1 %; равномерность формируемого распределения (отношение минимальной и средней освещенности) в заданной квадратной области - 0,92.
Бесплатно
Оптимизация бинарного ДОЭ для формирования "световой бутылки"
Статья научная
Предложена и исследована численная процедура оптимизации бинарных дифракционных оптических элементов (ДОЭ), предназначенных для формирования световых распределений типа "световая бутылка". Предложенная численная процедура основана на модификации генетического алгоритма оптимизации функции многих переменных. Приведены результаты вычислительных экспериментов.
Бесплатно
Оптимизация бинарных ДОЭ для формирования продольных распределений интенсивности
Статья научная
Рассмотрен стохастический подход к оптимизации квантованных дифракционных оптических элементов (ДОЭ), предназначенных для формирования заданных продольных распределений интенсивности.
Бесплатно
