Дифракционная оптика, оптические технологии. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
Гиперболическая фотонная струя
Статья научная
С помощью моделирования FDTD-методом и ближнепольного микроскопа с металлическим кантилевером показано, что при дифракции плоской линейно-поляризованной волны на угловой стеклянной ступеньке высотой 2(lambda) ?, (lambda) - длина волны, формируется слаборасходящаяся искривлённая по гиперболе фотонная струя, с областью повышенной интенсивности длиной по полуспаду 9,5(lambda), с диаметром 1,8(lambda) на расстоянии 5,5(lambda) и максимумом, в 5 раз превышающим интенсивность падающей волны. Расчётные результаты отличаются от экспериментальных на 11%. Показано, что структуры интенсивности при дифракции плоской волны на угловой фазовой ступеньке и на непрозрачном экране с отверстием вместо ступеньки совпадают.
Бесплатно
Гипергеометрические лазерные пучки в параболическом волноводе
Статья научная
Получено выражение для комплексной амплитуды семейства параксиальных гипергеометрических лазерных пучков, распространяющихся в градиентном параболическом волокне. Найден широкий класс модовых решений уравнения Гельмгольца в цилиндрической системе координат для градиентной параболической среды. Эти решения пропорциональны функциям Куммера, но только те из них обладают конечной энергией (то есть физически реализуемы), которые совпадают с модами Лагерра-Гаусса. Отрезок определённой длины градиентного параболического волокна рассмотрен как параболическая линза, для которой получены выражения для числовой апертуры и диаметра фокуса по полуспаду интенсивности. Получена явная формула для радиусов колец бинарной линзы, аппроксимирующей градиентную параболическую линзу. Моделирование FDTD-методом показало возможность фокусировки линейно-поляризованного гауссова пучка бинарной параболической микролинзой с показателем преломления 1,5 в эллиптическое фокусное пятно почти без боковых лепестков и с меньшим диаметром по полуспаду интенсивности 0,45 длины волны.
Бесплатно
Гипергеометрические лазерные пучки общего вида и их известные частные случаи
Статья научная
Показано, что полученное недавно трехпараметрическое семейство точных решений параксиального волнового уравнения (типа Шредингера), которое названо гипергеометрическими лазерными пучками, включает в себя как частные случаи известные семейства лазерных пучков - гауссовые гипергеометрические лазерные пучки и элегантные пучки Лагерра-Гаусса.
Бесплатно
Гипергеометрические пучки в ближней зоне дифракции в рамках скалярной модели
Статья научная
В работе с использованием интеграла Релея-Зоммерфельда первого типа исследуется дифракция ограниченных гипергеометрических мод и обобщенных гипергеометрических пучков в ближней зоне дифракции (порядка нескольких длин волн). При рассмотрении частных случаев гипергеометрических пучков в рамках скалярной непараксиальной теории дифракции численно показана возможность преодоления дифракционного предела с помощью фазового логарифми-ческого аксикона. На основе представления фазовой функции логарифмического аксикона как набора линейных кольцевых аксиконов проведен анализ полученных результатов.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена 6f схема голографии Фурье резонансной архитектуры, реализующая пополнение памяти новой информацией, противоречащей ранее записанной. Показано, что обусловленное нелинейностью экспозиционных характеристик голографических регистрирующих сред ослабление низких частот в записанном на голограмме исходном эталонном образе в узком диапазоне фильтраций ведёт к неустойчивости отклика - режиму с перемежаемостью. Показано, что режим с перемежаемостью соответствует перестройке автокорреляционной функции записанного на голограммах составного эталона с одного диапазона значения параметров модели аппроксимации на другой. Показано, что радиус (длина) корреляции записанного на голограммах составного образа служит параметром порядка системы: его быстрое изменение предваряет потерю устойчивости отклика и переход к неустойчивому режиму с перемежаемостью. Приведены результаты численного моделирования.
Бесплатно
Голографические диффузоры c контролируемой индикатрисой рассеяния
Статья научная
Рассматриваются оптические элементы для использования в системах подсветки различных экранов дисплеев, в том числе 3D-дисплеев, а также для формирования диаграммы излучения светодиодов. Исследована зависимость распределения интенсивности и индикатрисы рассеянного излучения от соотношения между дисперсией высоты и корреляционной длиной шероховатости поверхности, а также от радиуса когерентности падающего излучения и показателя преломления материала диффузора. Показано, что индикатриса рассеяния сужается при увеличении корреляционной длины шероховатости поверхности пленки и/или радиуса когерентности падающего излучения.
Бесплатно
Градиентные элементы микрооптики для достижения сверхразрешения
Статья научная
Получены модовые решения уравнения Гельмгольца для произвольного градиентного планарного волновода. Амплитуда моды представлена как экспонента с показателем в виде ряда Тейлора, коэффициенты которого находятся из рекуррентных соотношений. Показано, что минимальная ширина моды в квадратичном и секонсном градиентных планарных волноводах равна 0,4 от длины волны в вакууме, деленной на значение показателя преломления вдоль оси волновода. С помощью моделирования программой FullWAVE показано, что градиентные микролинзы Микаэляна и "рыбий глаз" Максвелла могут формировать изображения со сверхразрешением. Для 2D микролинзы Микаэляна показано, что точечный источник света изображается вблизи поверхности линзы в виде светового пятна с шириной по полуспаду интенсивности 0,12 от длины волны в вакууме. Это меньше, чем дифракционный предел для кремния с показателем преломления 3,47, который равен 0,144 от длины волны в вакууме. Также показано, что микролинза Микаэляна разрешает по полуспаду два близких точечных источника, разделенных расстоянием 0,3 от длины волны в вакууме.
Бесплатно
Градиентный алгоритм расчета ДОЭ с наложенными на фазовую функцию ограничениями и с регуляризацией
Статья научная
Задача расчета дифракционных оптических элементов (ДОЭ) с квантованной фазой сформулирована как задача минимизации функционала с ограничениями. Рассмотрена возможность регуляризации алгоритма. Приведено численное сравнение результатов работы алгоритма для градиентного и итеративного (по типу алгоритма Герчберга-Сэкстона) способов минимизации функционала.
Бесплатно
Градиентный метод расчета каскадных ДОЭ и его применение в задаче классификации рукописных цифр
Статья научная
Рассмотрен градиентный метод расчета каскадных дифракционных оптических элементов, состоящих из нескольких последовательно расположенных фазовых дифракционных оптических элементов. С использованием свойства унитарности оператора распространения света через каскадный дифракционный оптический элемент получены явные выражения для производных функционала ошибки по фазовым функциям каскадного дифракционного оптического элемента. Рассмотрено применение градиентного метода в задаче фокусировки различных падающих пучков в области с различными распределениями интенсивности и в задаче классификации изображений. Представленные описания градиентного метода рассматривают задачи синтеза каскадных дифракционных оптических элементов для фокусировки лазерного излучения и для классификации изображений в рамках единого методологического подхода. При этом показано, что вычисление производных функционалов ошибок и в задаче фокусировки, и в задаче классификации сводится к одной и той же общей формуле. С использованием предложенного градиентного метода рассчитаны одиночные и каскадный дифракционный оптический элемент для решения задачи классификации рукописных цифр. Полученные результаты могут найти применение при разработке дифракционных нейронных сетей и систем для фокусировки лазерного излучения.
Бесплатно
Градиентный метод расчета многопорядковых дифракционных решеток в приближении Рэлея
Статья
Бесплатно
Градиентный метод решения задачи фокусировки в двумерную область при протяженном источнике
Статья научная
Рассмотрен метод расчета преломляющих поверхностей для формирования заданных распределений освещенности при протяженных источниках света. Метод основан на представлении поверхности через распределение эйконала светового поля в прилегающей плоскости и аппроксимации источника излучения набором точек. Эйконал определяется в виде полинома. Расчет преломляющей поверхности основан на градиентной минимизации функционала ошибки, представляющего отличие расчетной и заданной освещенности полей. Для градиента функционала ошибки получено аналитическое выражение. Проведен расчет преломляющей поверхности для формирования постоянного распределения освещенности в квадратной области.
Бесплатно
Статья научная
Представлен градиентный метод расчета поверхности преломляющего оптического элемента, формирующего заданное распределение освещенности от точечного источника излучения. Форма преломляющей поверхности описывается в сферических координатах бикубическим сплайном. Приведены результаты расчета оптических элементов, создающих равномерное распределение освещенности в эллиптической и прямоугольной областях. Световая эффективность оптических элементов составляет порядка 89 %, неравномерность освещенности - менее 9 %.
Бесплатно
Границы применимости корректирующего кольца в аподизаторе с круглой зубчатой диафрагмой
Статья научная
Проведено теоретическое исследование эволюции профиля монохроматического лазерного пучка при его распространении после выхода из аподизатора, оптическая схема которого состоит из круглой зубчатой диафрагмы с узким корректирующим кольцом-экраном и пространственного фильтра на базе телескопа Кеплера с ограничивающей диафрагмой. Найдены значения характеристических параметров аподизатора, при которых применение корректирующего кольца целесообразно для улучшения качества профиля аподизированного пучка и уменьшения его дифракционного искажения при распространении на расстояния, соответствующие числам Френеля N F » 5 ¸ 2.
Бесплатно
Статья научная
С помощью компьютерного моделирования оцениваются границы применимости приближения прямых лучей для расчёта оптических характеристик жидкокристаллических дифракционных решёток с плавной пространственной модуляцией ориентации локальной оптической оси в жидкокристаллическом слое. Представленные данные, касающиеся влияния скорости и характера модуляции локальной оптической оси, а также величины коэффициента двулучепреломления среды на точность результатов, получаемых в указанном приближении, являются полезными и при рассмотрении слоёв с непериодическим характером вариации локальной оптической оси.
Бесплатно
Датчик Гартмана на основе многоэлементных амплитудных масок с аподизированными апертурами
Статья научная
Представлено теоретическое и экспериментальное исследование датчика Гартмана, служащего для контроля волнового фронта световых пучков и выполненного на основе многоэлементных амплитудных масок с аподизированными апертурами. Проведён сравнительный анализ оптических характеристик амплитудных масок с резко ограниченными круглыми апертурами и полутоновых масок (ПМ) с аподизированными апертурами, формирующими световые пятна на фотосенсоре в виде плавных быстрозатухающих функций. Разработан и исследован метод изготовления хромовых ПМ на основе лазерного термохимического метода записи. Метод включает в себя два основных этапа: экспонирование плёнки хрома сфокусированным лазерным пучком с мощностью, изменяющейся плавно и нелинейно в зависимости от требуемой плотности структуры ПМ, а также проявку плёнки в селективном травителе. Экспериментально изготовлены образцы ПМ, состоящие из 64×64 Гауссовых апертур. Изготовленные ПМ применены в модифицированном датчике Гартмана для контроля формы волнового фронта мощных лазерных систем.
Бесплатно
Статья научная
Показано, что двойные пучки Лагерра-Гаусса, комплексная амплитуда которых в начальной плоскости равна произведению амплитуд двух пучков Лагерра-Гаусса, можно представить как конечную суперпозицию обычных пучков Лагерра-Гаусса с определенными коэффициентами. Это позволяет получить явный вид для комплексной амплитуды двойных пучков Лагерра-Гаусса в зоне дифракции Френеля. Если оба пучка Лагерра-Гаусса одинаковые, то как частный случай получается пучок Лагерра-Гаусса «в квадрате», который является Фурье-инвариантным. Другой частный случай двойных пучков Лагерра-Гаусса получается тогда, когда азимутальные числа многочленов Лагерра равны n - m и n + m . Для такого пучка найдено явное выражение для комплексной амплитуды в Фурье-плоскости. Двойные пучки Лагерра-Гаусса можно так же, как и обычные пучки Лагерра-Гаусса, использовать для передачи информации, так как функции их комплексных амплитуд ортогональны по азимутальному числу и пучки несут орбитальный угловой момент, равный топологическому заряду.
Бесплатно
Двумерные ускоряющиеся бесселевы пучки
Статья научная
Все известные непараксиальные ускоряющиеся двумерные световые пучки распространяются по кривым траекториям, которые не могут изгибаться более, чем полуокружность (полукольцо). В недавней работе Optics Express 22, 7124 (2014) предложено с помощью дополнительного зеркала формировать траекторию ускоряющегося пучка, изгибающуюся больше полуокружности, но меньше целой окружности. В этой работе показано, как сформировать двумерное световое поле, в котором поток мощности будет циркулировать по окружности (или по кольцу). Также рассмотрены ускоряющиеся непараксиальные асимметричные двумерные пучки Бесселя, которые получаются из обычного двумерного пучка Бесселя смещением центра пучка в комплексную плоскость. Численно показано, что с ростом параметра асимметрии искривлённая траектория пучка Бесселя укорачивается, но одновременно уменьшается относительная величина боковых лепестков по сравнению с центральным.
Бесплатно
Двухкомпонентные нанорезонаторы на основе регулярных гребенчатых фотонно-кристаллических волноводов
Статья научная
В работе предложена и численно исследована модель двухкомпонентного оптического резонатора. Такой резонатор состоит, во-первых, из гребенчатого фотонно-кристаллического волновода, в котором период структуры не изменяется. Во-вторых, резонатор содержит фрагмент дополняющего материала площадью несколько периодов фотонного кристалла. При совмещении двух компонентов формируется дефект, в котором может быть возбуждена резонансная мода. Рассмотрены преимущества предложенной модели резонатора. В частности, простота формирования массивов резонаторов и создания динамических нанофотонных элементов. Рассчитаны допустимые погрешности изготовления предложенного резонатора. Показано, что величины допустимых погрешностей позволяют использовать существующие технологии совмещения структурных слоёв.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается двухэтапный алгоритм обнаружения объектов на изображении со случайной формой границы в присутствии аддитивного шума. На первом этапе с использованием статистически оптимального или нейросетевого алгоритма анализируются локальные участки изображения с целью обнаружения и оценивания параметров перепада яркости. На втором этапе путем анализа результатов первичной обработки локальных участков с использованием алгоритма максимального правдоподобия принимается окончательное решение о наличии объекта на изображении и о локализации его целостной границы. Для ускорения процесса обнаружения объектов предложен алгоритм, реализующий нахождение максимума функционала правдоподобия путем поиска минимального пути на графе методом динамического программирования.
Бесплатно
Статья научная
Резонансные эффекты, аналогичные расщеплению Аутлера - Таунса, электромагнитно-индуцированной прозрачности и резонансам Фано, продемонстрированы в волноводном резонаторе Фабри - Перо, образованном изогнутым одномодовым световодом с металлизированными торцами. Показано, что данные эффекты возникают вследствие сильной связи между фундаментальной модой сердцевины и оболочечной модой шепчущей галереи. Полученные результаты открывают новые возможности в области построения функциональных элементов фотоники, использующих оболочечные моды изогнутых световодов, в частности, волоконно-оптических рефрактометров для био- и хемосенсорных применений.
Бесплатно
