science >> Wetenschap >  >> Fysica

Snelle en flexibele berekening van optische diffractie

(a) Schets van het optische systeem. (b) CGH weergegeven op de SLM voor het genereren van een 9 × 9 foci-array. (c) De foci-array op het brandvlak van lens 1 (P-vlak). (d) faseverdeling en (e) intensiteitsverdeling op de ingangspupil van het objectief (E-vlak). (f) gesimuleerde en (g) gemeten multi-foci-array gegenereerd op het brandvlak van het objectief (F-vlak). (h) Vergroot intensiteitsprofiel van een enkele brandpunt in de array. De pijlen geven de polarisatierichtingen aan. (i) Longitudinaal intensiteitsprofiel en bijbehorende lijnplot van de foci-array. (j) Gesimuleerde en (k) gemeten intensiteitsverdeling op het F-vlak wanneer de CGH voor het genereren van het patroon "E" is gecodeerd op de SLM. (lm) Vergrote intensiteitsprofielen van het patroon dat overeenkomt met (j) en (k) met dezelfde bemonsteringspunten als in (i). Dit onderzoek ontving financiering van de National Natural Science Foundation of China, USTC Research Funds van het Double First-Class Initiative, Youth Innovation Promotion Association van de Chinese Academie van Wetenschappen, en National Key R &D-programma van China. Krediet:door Yanlei Hu, Zhongyu Wang, Xuewen Wang, Shengyun Ji, Chenchu ​​Zhang, Jiawen Li, Wulin Zhu, Dong Wu, Jiaru Chu

Diffractie is een klassiek optisch fenomeen dat de voortplanting van licht verklaart. De efficiënte berekening van diffractie is van grote waarde voor de realtime voorspelling van lichtvelden. De diffractie van elektromagnetische (EM) golven kan worden gecatalogiseerd in scalaire diffractie en vectordiffractie volgens de validatie van verschillende benaderingsvoorwaarden. Hoewel wiskundige uitdrukkingen voor beide optische diffractie al eeuwenlang gezaghebbend worden gepresenteerd, fundamentele doorbraken zijn zelden bereikt in rekenalgoritmen. De directe integratiemethode en de snelle Fouriertransformatie (FFT)-methode zijn ontwikkeld en blijken te lijden onder de limieten van ofwel een laag rendement ofwel een slechte flexibiliteit. Daarom, de veelzijdige berekening van optische diffractie op een efficiënte en flexibele manier is zeer vereist.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , een team van wetenschappers, onder leiding van professor Jiawen Li en Dong Wu van CAS Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials, Key Laboratory of Precision Scientific Instrumentation van Anhui Higher Education Institutes, Afdeling Precisiemachines en Precisie Instrumentatie, Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China, en collega's hebben een efficiënte methode voor het berekenen van het volledige pad voorgesteld door de wiskundige overeenkomsten in scalaire en vectordiffractie te onderzoeken.

Scalaire en vectordiffractie worden beide uitgedrukt met behulp van de zeer flexibele Bluestein-methode. De rekentijd kan sterk worden teruggebracht tot het sub-tweede niveau, wat vijf ordes van grootte sneller is dan die bereikt door de directe integratiebenadering en twee ordes van grootte sneller dan die bereikt door de FFT-methode. Verder, de ROI's en de steekproefnummers kunnen willekeurig worden gekozen, waardoor de voorgestelde methode een superieure flexibiliteit krijgt. Eindelijk, full-path light tracing van een typisch holografisch lasersysteem wordt gepresenteerd met een ongekende rekensnelheid, wat goed overeenkomt met de experimentele resultaten. De voorgestelde methode is veelbelovend in de universele toepassingen van optische microscopie, fabricage, en manipulatie.

De Bluestein-methode is een elegante methode bedacht door L. Bluestein en verder veralgemeend door L. Rabiner et al., wat een veelbelovend hulpmiddel is in het arsenaal van ingenieurs op het gebied van digitale signaalverwerking. De Bluestein-methode is in staat om meer algemene Fourier-transformaties uit te voeren bij willekeurige frequenties en om de resolutie over het volledige spectrum te verhogen, biedt ons een spectrale zoomoperatie met hoge resolutie en willekeurige bandbreedte. Deze wetenschappers vatten het werk samen van de toepassing van de Bluestein-methode in zowel scalaire als vectordiffractieberekeningen:

"We hebben de integrale formules voor scalaire en vectordiffractie in Fourier-transformatievormen opnieuw bekeken en afgeleid, en gebruik vervolgens de Bluestein-methode om de Fourier-transformatie op een flexibelere manier volledig te vervangen. Op basis hiervan, optische diffractie wordt geëvalueerd met aangewezen ROI's en bemonsteringsnummers."

"Er worden enkele representatieve voorbeelden gegeven voor zowel scalaire als vectordiffractie om de verbetering in efficiëntie en flexibiliteit aan te tonen. Bovendien, full-path light tracing van een optisch holografisch systeem wordt gepresenteerd met een ongekende rekensnelheid. En de resultaten worden geverifieerd door de experimentele metingen", voegde ze eraan toe.

"Er zijn enkele belangrijke aanpassingen gedaan aan de conventionele Bluestein-methode, waaronder de definitie van een complex startpunt en een extra faseverschuivingsfactor om de realistische omstandigheden voor optische berekeningen het hoofd te bieden, " benadrukten de wetenschappers. "De voorgestelde snelle en flexibele methode voor het ophalen van het lichtveld kan brede toepassingen vinden op het gebied van optische microscopie, fotolithografie en optische manipulatie, ’ voorspellen ze.