Дифракционная оптика, оптические технологии. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
Статья научная
Работа посвящена разработке квантовой теории дифракционных оптических элементов. На примере дифракции света на диэлектрической пластине в резонаторе рассмотрены аспекты квантовой оптики. В работе показана связь между классическим и квантовым решением задачи дифракции на диэлектрической пластине. Получены выражения для собственных мод такого резонатора, а также для операторов векторного магнитного потенциала и напряжённости электрического поля. Метод, предложенный в данной работе, легко распространить на диэлектрические пластины с дифракционным микрорельефом, то есть на дифракционные оптические элементы.
Бесплатно
Расчет мод фотонно-кристаллического световода разными методами
Статья научная
Результаты расчета эффективного индекса для фундаментальной моды фотонно-кристаллического световода с заполненным сердечником, полученные с помощью нового конечно-разностного метода и коммерческой программы FIMMWAVE 4.6, совпадают с точностью до 0,2 %. Новая реализация метода согласованных синусоидальных мод в среде Matlab 7.0 дает более устойчивую и монотонную сходимость, а также существенно меньшую величину ошибки при малом числе локальных мод (до 20 мод), чем коммерческая программа FIMMWAVE. В работе сделан обзор и приведена обширная литература по методам расчета мод фотонно-кристаллических световодов.
Бесплатно
Статья научная
Численно исследована зависимость от угла и смещения углового орбитального момента силы, действующей со стороны цилиндрического непараксиального Гауссова пучка на цилиндрическую микрочастицу с комплексным показателем преломления. Показано, что момент силы, действующий на поглощающую частицу с эллиптическим сечением относительно центра частицы, расположенную по центру перетяжки Гауссова пучка намного меньше момента, действующего на не поглощающую частицу при тех же параметрах, а поглощающая частица с круглым сечением вращается, если ее центр смещен с оптической оси.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрен круглый в поперечном сечении регулярный слабопроводящий волоконный световод с двойной оболочкой. Для одномодового режима такого волновода получено выражение для оценки части мощности поля моды, проникающей во внешнюю сплошную оболочку, в стандартном подходе и в Гауссовой модели. Показано, что в Гауссовой модели получается более простой и прозрачный результат, которым можно воспользоваться на практике, в частности, при конструировании такого типа волноводов с минимальной частью мощности, проникающей во внешнюю оболочку.
Бесплатно
Расчет оптических элементов при протяженном источнике излучения
Статья научная
С использованием ранее разработанного оптимизационного метода [Byzov EV, Kravchenko SV, Moiseev MA, Bezus EA, Doskolovich LL. Optimization method for designing double-surface refractive optical elements for an extended light source. Opt Express 2020; 28(17): 24431-24443. DOI: 10.1364/OE.400609] для протяженного источника излучения рассчитан компактный преломляющий оптический элемент (отношение высоты элемента к размеру источника излучения - 1,55), обеспечивающий формирование равномерного распределения освещенности в смещенной прямоугольной области. Продемонстрировано применение оптимизационного метода в задаче расчета так называемых TIR-элементов, имеющих рабочую поверхность, на которой происходит полное внутреннее отражение лучей. Для протяженного источника излучения рассчитаны компактные TIR-элементы с выходной поверхностью свободной формы, формирующие равномерные распределения освещенности в прямоугольной области. Результаты работы перспективны для применения при решении широкого класса задач расчета компактных оптических элементов для светоизлучающих диодов.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена задача расчёта осесимметричного преломляющего оптического элемента, преобразующего заданный падающий пучок в выходной пучок с заданным распределением освещённости и заданным волновым фронтом. Волновой фронт выходного пучка определяется через функцию эйконала, заданную в некоторой плоскости за оптическим элементом. Расчёт поверхностей оптического элемента сведён к решению двух обыкновенных дифференциальных уравнений, разрешённых относительно производной. В качестве примеров рассчитаны оптические элементы, преобразующие сферический пучок от точечного ламбертовского источника в пучок с постоянной освещённостью и плоским волновым фронтом, а также в пучок с постоянной освещённостью и функцией эйконала, обеспечивающей фокусировку в отрезок оптической оси.
Бесплатно
Расчет отражателя, формирующего радиально-симметричную диаграмму направленности
Статья научная
Представлен итерационный метод расчета радиально-симметричного зеркала по заданной диаграмме направленности при точечном источнике света. Рассмотрен алгоритм трассировки лучей с учетом многократных отражений.
Бесплатно
Статья научная
Для круглого в поперечнике слабонаправляющего волоконного световода с произвольным градиентным профилем показателя преломления в одномодовом режиме в общем виде получена зависимость постоянной распространения от волноводного параметра. Из уравнений Максвелла выведено уравнение для поля в световоде с градиентным профилем показателя преломления. На примере степенного профиля для трёх первых степеней и для гауссова профиля получены зависимости от волноводного параметра для постоянной распространения, фазовой и групповой скоростей. Для отношения мощности, переносимой модой к полной запасенной энергии на единице длины волновода, построена зависимость от волноводного параметра. Показано, что по мере увеличения волноводного параметра и увеличения степени степенного профиля доля переносимой мощности уменьшается и приближается к доле переносимой мощности для гауссова профиля. Полученные результаты могут быть использованы для создании волноводов при решении конкретных приложений.
Бесплатно
Расчет периодических структур для равномерного вывода света из планарного тонкого волновода
Статья научная
Рассмотрен метод решения задачи вывода света из подсветки ЖК дисплея, работающей от одного светодиода, в приближении тонкого волновода. Внимание уделено двум способам расчета: с кусочно-постоянной плотностью расположения микроструктур на волноводе и расчетным положением каждой микроструктуры. Результаты расчетов промоделированы методом трассировки лучей Монте-Карло.
Бесплатно
Статья научная
Представлен метод расчета преломляющей поверхности, формирующей заданное распределение освещенности с большими угловыми размерами при протяженном источнике излучения. Метод основан на градиентной оптимизации преломляющей поверхности, представленной в виде бикубического сплайна в сферических координатах. Рассчитаны оптические элементы, формирующие равномерные распределения освещенности в эллиптической и прямоугольной областях. Энергетическая эффективность оптических элементов составляет более 73%, а неравномерность формируемого распределения освещенности - менее 7,5%. Отношение размера освещаемой области к расстоянию до источника составляет около 6,5, что более чем в два раза превосходит результаты, представленные в известных публикациях.
Бесплатно
Расчет преломляющего оптического элемента, формирующего диаграмму направленности в виде отрезка
Статья научная
Предложена конструкция преломляющего оптического элемента для формирования от компактного источника излучения диаграммы направленности в виде отрезка. Расчет поверхностей оптического элемента сведен к решению тривиальных задач с цилиндрической симметрией. Приведены результаты численного моделирования формируемых диаграмм направленности. Энергетическая эффективность оптических элементов составляет - 90 % при угловых размерах диаграмм направленности в 80-180°.
Бесплатно
Расчет силы взаимодействия светового пучка с микрочастицами произвольной формы
Статья научная
Описан метод расчета сил действующих на микрочастицу в световом поле. Проведена проверка адекватности метода на основе сравнения с экспериментальными данными.
Бесплатно
Расчет силы, действующей на сферический микрообъект в гипергеометрических пучках
Статья научная
Проведен численный расчет сил действующих на сферический микрообъект в новом семействе параксиальных лазерных пучков. При распространении в однородном пространстве эти пучки сохраняют свою структуру с точностью до масштаба. Численно показано, что при сохранении азимутального номера моды и изменении радиального номера моды в несколько раз, сила, действующая на диэлектрический микрошар, диаметр которого меньше ширины яркого светового кольца моды, также изменится примерно в такое же число раз.
Бесплатно
Расчет тремя методами интенсивности цилиндрического векторного пучка в остром фокусе
Статья научная
В работе проводится сравнение расчета поля дифракции в остром фокусе тремя непараксиальными методами: методом конечных разностей во временной области (FDTD-метод), интегралом Рэлея-Зоммерфельда и преобразованием Ричардса-Вольфа при векторном цилиндрическом начальном поле. Преобразование Ричардса-Вольфа использовалось с двумя функциями аподизации выходного зрачка - для сферической и тонкой дифракционной линз. Результаты показали, что при существенной экономии времени расчета с помощью интегралов Рэлея-Зоммерфельда и Ричардса-Вольфа при задании обоих поперечных компонент поля можно получать результаты со среднеквадратичным отклонением от FDTD-метода всего 2 %. Причем при сверхкоротком фокусном расстоянии (менее 1,6…2,6 мкм для длины волны 633 нм) более точным оказывается преобразование Ричардса-Вольфа, а при удалении от начальной плоскости и вне фокальной плоскости более точным является интеграл Рэлея-Зоммерфельда.
Бесплатно
Расчет частотной характеристики ТЕМ-камеры
Статья научная
С использованием многомодовых матриц рассеяния рассчитана частотная характеристика ТЕМ-камеры, которая предназначена для проведения испытаний электронных компонентов и систем на электромагнитную совместимость.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе представлен оптимизационный метод для расчёта экструдированных оптических элементов светодиодов с двумя преломляющими поверхностями из условия формирования заданных распределений интенсивности. Метод основан на использовании разработанной процедуры быстрой трассировки лучей, в которой используется аппроксимация оптических поверхностей набором плоскостей, и учитывает протяженный характер источника излучения. Световая эффективность рассчитанных примеров оптических элементов выше 89 %, а среднеквадратичное отклонение формируемого распределения освещённости от заданного не превышает 2 %.
Бесплатно
Расчёт Эйконала светового поля для фокусировки в набор точек
Статья научная
Рассмотрен итерационный метод расчёта функции эйконала светового поля из условия фокусировки в набор точек. Предложенный метод является обобщением метода «согласованных параболоидов», предложенного для расчёта зеркал, формирующих дискретные распределения интенсивности (освещённости) в виде набора точек. Представлены результаты расчёта функций эйконала и соответствующих рефракционных оптических элементов для фокусировки плоского пучка в набор точек в эллиптической области, в области в виде креста и в виде надписи «IPSI». Результаты моделирования показывают высокое качество фокусировки и подтверждают работоспособность предложенного метода.
Бесплатно
Расчёт высокоапертурных конфокальных дифракционно-линзовых объективов
Статья научная
В работе исследованы возможности коррекции монохроматических аберраций высокоапертурных конфокальных объективов, состоящих из дифракционных линз. Потенциальные возможности этих объективов демонстрируются применительно к задачам глубокой ультрафиолетовой литографии и сравниваются с возможностями рефракционно-линзовых объективов. Показано, что сопоставимые характеристики у дифракционно-линзовых объективов достигаются при существенно меньшем количестве линз.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматривается дифракция Гауссовых пучков на цилиндрическом аксиконе в случае, когда числовая апертура аксикона близка к предельной или выше неё (когда падающее излучение не должно проходить через элемент). Дифракция рассматривается в трёх моделях: геометро-оптической, векторной волновой в приближении тонкого оптического элемента и на основе решения уравнений Максвелла методом конечных элементов. Хотя в рамках геометро-оптической модели предельная числовая апертура соответствует наступлению полного внутреннего отражения, анализ хода лучей показал, что при увеличении числовой апертуры (сужении угла аксикона) часть энергии выходит из элемента через боковые грани, формируя расходящееся излучение. В волновой теории рассеяние энергии в боковых направлениях также получается, но особую роль играют затухающие волны вблизи оптического элемента. В этом случае в приближении тонкого элемента получены аналитические оценки для компонент электрического поля. Использование метода конечных элементов для решения уравнений Максвелла показало, что с точки зрения концентрации энергии на острие рефракционного аксикона увеличение его числовой апертуры (как за счёт сужения угла, так и за счёт увеличения показателя преломления материала) имеет смысл только до наступления полного внутреннего отражения. Дальнейшее увеличение числовой апертуры приводит как к отражению лучей от плоской поверхности, так и выходу их из боковых граней аксикона.
Бесплатно
Статья научная
С применением электромагнитной теории дифракции рассмотрена возможность достижения сверхразрешения с помощью бинарных высокоапертурных аксиконов при линейной поляризации падающего на элемент излучения. Показано, что уширение центрального светового пятна, которое неизбежно возникает при линейной поляризации освещающего высокоапертурный аксикон пучка, можно компенсировать с помощью фазового линейного скачка в освещающем пучке или за счёт использования биаксикона вместо осесимметричного аксикона. При этом в непосредственной близости от поверхности оптического элемента формируется световое пятно, размер которого на 37% меньше дифракционного предела.
Бесплатно
