Сойфер В.А. (ред.) Дифракционная компьютерная оптика

М.: Физматлит, 2007. — 736 с.Книга посвящена компьютерному синтезу дифракционных оптических элементов (ДОЭ) с широкими функциональными возможностями преобразования лазерного излучения и исследования свойств волновых полей, полученных в результате такого преобразования. Рассмотрены методы решения обратных задач дифракции: приближение геометрической оптики и скалярное приближение теории дифракции, а также методы теории электромагнитного поля. Основное внимание уделено анализу дифракции электромагнитной волны на элементах микрооптики и дифракционных решетках. Рассмотрены новые типы ДОЭ, формирующие лазерные пучки с замечательными свойствами: лазерные пучки сохраняют свою структуру, вращаются или периодически самовоспроизводятся. Такие лазерные пучки используются при оптическом манипулировании микрообъектами. Рассмотрены также ДОЭ на алмазных пленках, которые используются для преобразования мощного лазерного инфракрасного излучения.
В книге много иллюстративного материала, приведены результаты численного моделирования и экспериментов с синтезированными ДОЭ.
Для студентов старших курсов специальностей: прикладные математика и физика, прикладная математика и информатика, оптика, а также для аспирантов и специалистов, работающих в соответствующих областях.Предисловие редактора
Основные уравнения теории дифракции
Уравнения Максвелла
Используемые математические понятия и обозначения
Уравнения Максвелла в дифференциальной форме
Уравнения Максвелла в интегральной форме
Граничные условия
Теорема Пойнтинга.
Дифференциальные уравнения оптики
Волновые уравнения
Уравнения Гельмгольца
Уравнение Фока-Леонтовича
Уравнения эйконала и переноса
Интегральные теоремы оптики
Формулы Грина
Формулы Стреттона-Чу
Интегральные преобразования в оптике
Интеграл Кирхгофа
Преобразование Френеля
Методы решения прямой задачи дифракции
Разностные схемы решения дифференциальных уравнений
Метод конечных элементов решения интегральных уравнений
Заключение
Список литературы к главе 1
Дифракционные оптические преобразования
Преобразования в оптических системах
Дифракционные решетки
Плоские линзы и призмы
Обратная задача дифракционной оптики
Методы кодирования фазовой функции ДОЭ
Дискретизация и квантование фазы ДОЭ
Компьютерное проектирование и формирование дифракционного микрорельефа
Список литературы к главе 2
Расчет ДОЭ в приближении геометрической оптики
Расчет ДОЭ для фокусировки в кривую в приближении геометрической оптики
Криволинейные координаты в задаче фокусировки в кривую
Расчет и исследование геометрооптических фокусаторов
Дифракционная линза
Дифракционная цилиндрическая линза
Фокусатор в кольцо
Фокусатор в полукольцо
Фокусатор в поперечный отрезок
Составной фокусатор в крест
Фокусатор в продольный отрезок
Фокусаторы в двумерную область. Метод согласованных прямоугольников
Коррекция волновых фронтов
Проблема создания волновых фронтов
Оптические схемы с ДОЭ для анализа асферических поверхностей
Расчет плоского компенсатора
Спектральные свойства компенсаторов
Характеристика точности эталонного волнового фронта
Влияние дискретизации и квантования фазовой функции компенсатора на точность эталонного волнового фронта
Формирование волновых фронтов с малым относительным отверстием
Осесимметричные компенсаторы
Формирование волновых фронтов высших порядков
Формирование неосесимметричных волновых фронтов
Формирование внеосевых сегментов волновых фронтов вращения
Формирование волновых фронтов с заданным распределением интенсивности
Практическое использование компенсаторов
Заключение
Список литературы к главе 3
Расчет ДОЭ в скалярном приближении теории дифракции
Итеративные методы расчета ДОЭ
Алгоритм уменьшения ошибки
Алгоритм входа-выхода
Адаптивно-аддитивный алгоритм
Адаптивно-мультипликативный алгоритм
Адаптивно-регуляризационный алгоритм
Расчет ДОЭ, формирующих радиально-симметричные распределения интенсивности
ДОЭ, формирующие кольцевое распределение интенсивности
ДОЭ, формирующие заданное осевое распределение интенсивности
ДОЭ с конечным числом колец на апертуре
Расчет одномерных дифракционных решеток
Бинарные дифракционные решетки
Многоуровневые фазовые дифракционные решетки
Выравнивание интенсивности гауссова пучка
ДОЭ, формирующие контурные изображения
Расчет квантованных ДОЭ
Заключение
Список литературы к главе 4
Многопорядковые ДОЭ
Многопорядковые фокусаторы
Многопорядковые бинарные зонные пластинки
Нелинейная суперпозиция бинарных ДОЭ
Дифракционные многофокусные линзы
Двухпорядковые ДОЭ
Спектральные ДОЭ
Спектральные дифракционные решетки
Спектральные ДОЭ для фокусировки в набор одинаковых областей
Спектральные линзы
Спектральные ДОЭ для фокусировки в различные области
Расчет спектральных ДОЭ с компенсацией ошибки квантования
Примеры расчета спектральных ДОЭ
Заключение
Список литературы к главе 5
Применение теории электромагнитного поля к расчету дифракционных решеток
Дифракция на идеально проводящих решетках со ступенчатым профилем
Дифракция на идеально отражающих решетках с непрерывным профилем (приближение Рэлея)
Дифракция на диэлектрических решетках
Диэлектрические решетки с непрерывным профилем (ТМ-поляризация
Бинарные диэлектрические решетки (ТМ-поляризация)
Диэлектрические решетки с непрерывным профилем (ТЕ-поляризация)
Бинарные диэлектрические решетки (ТЕ-поляризация)
Примеры расчета решеток
Градиентные методы расчета профиля дифракционных решеток
Отражающие решетки со ступенчатым профилем
Диэлектрические бинарные решетки
Идеально проводящие решетки с непрерывным профилем в приближении Рэлея
Дифракция на двумерных диэлектрических решетках
Дифракция на бинарных решетках
Синтез субволновых антиотражающих покрытий
Расчет поля от линзовых растров
Заключение
Список литературы к главе 6
Методы теории электромагнитного поля в микрооптике
Анализ ДОЭ методом разностного решения уравнений Максвелла
Разностные схемы для двумерных уравнений Максвелла
Дифракция Н-волны на двумерной диэлектрической решетке
Дифракция Н-волны на двумерной идеально проводящей решетке
Дифракция однородной плоской волны на цилиндрическом элементе
Исследование работы цилиндрических микролинз
[b]Метод конечных элементов в микрооптике[/b]
Решение уравнения Гельмгольца проекционным методом Галеркина
Метод граничных элементов для решения уравнения Гельмгольца
Гибридный метод на основе метода конечных элементов Галеркина и метода граничных элементов
Дифракция плоской волны на диэлектрическом круговом цилиндре
Дифракция на цилиндрических микролинзах
Расчет профиля цилиндрических микролинз методом конечных элементов
Список литературы к главе 7
Анализ поперечных мод лазерного излучения
Распространение электромагнитного излучения в оптических волноводах
Моды ступенчатого оптического волокна
Моды градиентного оптического волокна
Моданы — дифракционные оптические элементы (ДОЭ), согласованные с модами лазерного излучения
Метод введения дополнительной области
Метод знаковой функции с оптимизацией апертуры
Метод частичного кодирования
Расчет ДОЭ, согласованных с характеристиками градиентной среды
ДОЭ для анализа поперечных мод световых полей
Одновременное формирование нескольких самовоспроизводящихся
лазерных пучков в различных дифракционных порядках
Селекция мод в свободном пространстве
Селекция мод ГЛ
Селекция мод ГЭ
Передача информации с модовым уплотнением каналов
Оптоволоконные датчики на основе селекции мод
Исследование связи мод, вызванной периодическими микроизгибами градиентного волоконного световода
Исследование зависимости мощностей мод на выходе ступенчатого волоконного световода от величины его прогиба
Список литературы к главе 8
Формирование самовоспроизводящихся многомодовых лазерных пучков
Многомодовые световые поля с различными свойствами самовоспроизведения
Самовоспроизведение как инвариантность к действию различных операторов
Периодическое самовоспроизведение и вращение при распространении в однородной среде
Метод композиций для синтеза ДОЭ, формирующих многомодовые пучки
Метод производящих функций для базисов, собственных некоторому интегральному оператору
Итеративные алгоритмы расчета фазовых ДОЭ, модифицированные для метода композиций
Формирование самовоспроизводящихся многомодовых лазерных пучков
Бесселевы пучки
Гауссовы пучки
Поля, согласованные со сфероидальными функциями
Формирование нескольких самовоспроизводящихся пучков в различных дифракционных порядках
Многомодовые пучки в разных дифракционных порядках
Пучки с заданным орбитальным угловым моментом
Заключение
Список литературы к главе 9
Оптическое манипулирование микрообъектами с помощью ДОЭ
Сила взаимодействия светового поля с микрообъектами
Сила взаимодействия светового поля с микро- и наночастицами
Теория оптического захвата
Световые пучки для захвата микрообъектов
Захват и линейное движение микрообъектов
Вращение микрообъектов в световых полях
Одновременный захват группы микрообъектов
Области применения оптического манипулирования
Манипулирование биообъектами
Микромеханика
Управление движением микрообъектов с помощью световых полей, сформированных дифракционными оптическими элементами (ДОЭ)
Особые свойства световых полей, сформированных ДОЭ
Моделирование движения микрообъектов в световых полях, сформированных ДОЭ
Экспериментальные исследования движения микрообъектов в световых полях, сформированных ДОЭ
Заключение
Список литературы к главе 10
Синтез ДОЭ на алмазных поликристаллических пленках
Технологии формирования микрорельефа на поверхности алмазных пленок
Технология прямой лазерной абляции алмазных пленок
Технология ионно-химического травления поверхности алмазных пленок
Синтез и исследование плоских линз на алмазных пленках
ДОЭ, фокусирующие излучение СОг-лазера в двумерные области
Анализ антиотражающей субволновой структуры, нанесенной на алмазную пленку
Моделирование работы цилиндрического алмазного ДОЭ с субволновыми технологическими погрешностями микрорельефа
Исследование влияния локальных технологических погрешностей на работу ДОЭ
Стохастическая оптимизация микрорельефа алмазного фокусатора с учетом систематических погрешностей изготовления
Экспериментальное исследование фокусатора в круг
Список литературы к главе 11