Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Forskere har forenklet simuleringen af ​​optiske instrumenter med høj præcision

Koordinatplaner i et krumlinjet koordinatsystem indført i et område nær et todimensionalt sinusformet diffraktionsgitter, så et af planerne falder sammen med gitteroverfladen (en uigennemsigtig overflade). Kredit:MIPT

Fysikere fra MIPT og universitetet Jean Monnet (Frankrig) har udviklet en ny simuleringsmetode til optiske elementer, der bruges i mange moderne instrumenter og enheder. Deres papir, præsenterer en beskrivelse af metoden, der gør det muligt at designe komplekse optiske enheder på spilgrafikkort, er blevet offentliggjort i Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer .

Alexey Shcherbakov, en ansat ved Laboratory of Nanooptics and Plasmonics ved MIPT's Center of Nanoscale Optoelectronics, og hans kollega fra universitetet Jean Monnet Alexandre Tishchenko (1958–2016) foreslog en ny tilgang til beregning af de optiske parametre for komplekse diffraktionsgitre og diffraktive elementer. Mulighederne ved den nyudviklede metode er betydeligt større end dem, der tilbydes af andre meget anvendte metoder til en række forskellige optiske strukturer. Resultaterne af undersøgelsen åbner nye perspektiver for den meget effektive optimering af moderne optiske og optoelektroniske enheder.

Diffraktionsgitter er optiske elementer, der danner grundlag for mange moderne enheder inden for spektroskopi, telekommunikation og laserteknologi. De er en- eller todimensionelle periodiske strukturer, der indeholder tusindvis af regulære grundstoffer - f.eks. en række parallelle strimler af mikroskopisk bredde. Diffraktionsgitre er i stand til at opdele hvidt lys i et spektrum, reflekterende stråler med forskellige bølgelængder i forskellige retninger - det er derfor, de bruges i stort set alle spektrometre.

Et godt eksempel på et diffraktionsgitter er en almindelig compact disc. Hvis den lyser med lys med en fast frekvens, vil en rød laserpeger f.eks. i stedet for en enkelt reflekteret stråle, et sæt reflekterede stråler vises. Disse omtales som diffraktionsordrer. Retningen, som disse stråler udbreder sig i, er faste og afhænger af gitterperioden (defineret som afstanden mellem tilstødende elementer), indfaldsvinklen, og strålingsfrekvensen. Beregning af intensiteten af ​​hver diffraktionsordre, dvs. mængden af ​​den indfaldende lysstyrke, der reflekteres i hver retning, er langt sværere. Udførelse af disse typer beregninger med høj præcision er ekstremt vigtigt set fra et praktisk synspunkt, da de er afgørende for optimering af en lang række instrumenter og enheder.

Diffraktionsristernes evne til at opdele lys i et spektrum bruges i spektrometre - enheder, der bruger spektrumanalysen til at bestemme sammensætningen af ​​forskellige stoffer, herunder kemiske opløsninger og interstellare gasser. Diffraktionssimulering er afgørende for fremstilling af litografimasker, der bruges i moderne mikroelektronisk fremstilling, og til design af specielle polarisatorer inden for lasermetalbehandlingsteknologi. Ud over, periodiske strukturer bruges til at øge effektiviteten af ​​solkoncentratorer og fotovoltaiske celler ved at øge lysabsorptionen. Periodiske strukturer gør det også vanskeligere at forfalde dokumenter og penge - et mønster af fine metalliske strimler på papir, der reflekterer lys på en bestemt måde, kan fungere som en forfalskningstiltag.

En streng beregning af diffraktionsordreeffektiviteten er kun mulig ved at løse Maxwells ligninger - grundlæggende ligninger, der beskriver det elektromagnetiske felt og, i særdeleshed, elektromagnetisk bølgeudbredelse. De blev formuleret for mere end hundrede år siden, men en bred vifte af løsninger, som disse ligninger indrømmer i forskellige tilfælde, motiverer stadig mange videnskabsmænd over hele verden til at fortsætte med at søge nye løsninger. Og at beskrive komplekse optiske diffraktionsgitre ved hjælp af Maxwells ligninger er kun mulig ved hjælp af numeriske metoder.

Alexey Shcherbakov demonstrerer diffraktionsmønsteret fra et todimensionelt gitter, kredit:Kredit:MIPT

Dette betyder, at i stedet for en klar til brug formel, en endelig præcisionsalgoritme skal implementeres. For at analysere og optimere komplekse diffraktionsgitre, forskere bruger moderne computere og computerklynger. Et helt felt af videnskab, der kombinerer matematisk fysik, numerisk analyse, programmering, og andre områder er afsat til at udforske, hvordan man skriver computerprogrammer og udfører disse beregninger på den mest effektive måde. Udviklingen af ​​dette felt bliver ansporet af fremskridt inden for fremstillingsteknologier til diffraktionsstrukturer. Mere præcise enheder stiller stadig højere krav til simuleringsmetoder på designniveau.

I deres udgivelse forskerne udviklede Generalized Source Method (GSM), reducerede forbruget af computerressourcer betydeligt sammenlignet med andre metoder. Ideen er baseret på hypotetiske kilder til elektromagnetisk stråling, som erstatter strukturel inhomogenitet.

Ifølge Alexey Shcherbakov, seniorforsker ved Laboratory of Nanooptics, denne idé kan med visse begrænsninger, illustreres således:"Lad os antage, at vi smider sten ind i midten af ​​en cirkulær dam. Bølgerne, der genereres af stenene, vil være cirkulære og vil sprede sig fra midten af ​​dammen til vandkanten. Lad os nu spørge os selv, hvilken form vil bølgerne have, hvis en båd flyder et sted i dammen? Det viser sig, at hvis vi fjerner båden og kaster masser af små sten på det sted, hvor den flyder, disse små sten kan vælges således, at det samlede antal bølger, der genereres af dem, og den sten, vi kaster ind i midten, vil være den samme, som hvis båden stadig svævede i dammen. Denne hypotetiske substitution kan synes at komplicere opgaven, men, i praksis, dette princip gør det muligt for forskere effektivt at løse meget komplekse problemer med bølgeudbredelse."

Nøgleidéen med den nye metode baseret på GSM var at bruge krumme lineære koordinat transformationer i gitterområdet. Inden for metoderationalet, en ru gitteroverflade strækkes til et plan, hvilket gør det meget enkelt at beregne bølgers refleksion og brydning. Bevarelse af de fysiske virkninger forårsaget af ruheden kræver samtidig ændring af miljøets egenskaber nær overfladen på en bestemt måde ved sådan strækning. Dermed, i stedet for at blive reflekteret på den bølgede ristoverflade, bølger ser ud til at passere gennem et inhomogent rum, hvilket bremser deres formering forskelligt forskellige steder. Denne teknik forbedrer beregningerne betydeligt, og opnår langt mere nøjagtige resultater på samme beregningstid.

Ud over den analytiske udvikling af den nye tilgang med metriske kilder, forskerne demonstrerede også muligheden for effektiv parallelisering af metoden og udførelse af simuleringer på grafikkort. Det betyder, at det er muligt at anvende kommercielt producerede komponenter, som alle gamere er fortrolige med, for at simulere meget komplekse diffraktionsgitre. Computerkraften af ​​grafikchips er allerede større end processorkraften, hvilket er grunden til, at grafikkort bruges i mange laboratorier over hele verden. I den offentliggjorte forskning, Sammenligning af simuleringer på grafikkort og almindelige processorer viste, at en grafikchip er i stand til at udføre opgaven dusinvis af gange hurtigere.

Varme artikler