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一種光學衍射的快速計算方法

作者:東譜科技(廣州)有限責任公司 瀏覽: 發表時間:2020-09-02 09:00:00 來源:光電資訊


光在傳播過程中,遇到障礙物或小孔時,光將偏離直線傳播的路徑而繞到障礙物後面傳播的現象,叫光的衍射。光波遇到障礙物以後會或多或少地偏離幾何光學中直線傳播定律的現象。幾何光學表明,光在均勻媒質中按直線定律傳播,光在兩種媒質的分界面按反射定律和折射定律傳播。

但是,光是一種電磁波,當一束光通過有孔的屏障以後,其強度可以波及到按直線傳播定律所劃定的幾何陰影區內,也使得幾何照明區內出現某些暗斑或暗紋。總之,衍射效應使得障礙物後空間的光強分布既區別於幾何光學給出的光強分布,又區別於光波自由傳播時的光強分布,衍射光強有了一種重新分布。衍射使得一切幾何影界失去了明銳的邊緣。

意大利物理學家和天文學家F.M.格裏馬爾迪在17世紀首先精確地描述了光的衍射現象,150年以後,法國物理學家A.-J.菲涅耳於19世紀最早闡明了這一現象。

光的衍射現象的觀察和特點。衍射是一切波所共有的傳播行為。日常生活中聲波的衍射、水波的衍射、廣播段無線電波的衍射是隨時隨地發生的,易為人覺察。但是,可見光的衍射現象卻不易為人們所覺察,這是因為可見光的波長很短,以及普通光源是非相幹的面光源。當用一束強光照明小孔、圓屏、狹縫、細絲、刀口、直邊等障礙物時,在足夠遠的屏幕上會出現一幅幅不同的衍射圖樣。

中國科學院材料力學行為與設計重點實驗室、安徽省高等學校精密科學儀器學重點實驗室精密機械與精密儀器學系的科學家團隊探索了標量衍射和矢量衍射的數學相似性,提出了一種高效的全路徑計算方法。

標量衍射和矢量衍射都用高度靈活的Bluestein方法表示。計算時間大大縮短到亞秒級,比直接積分法快5個數量級,比FFT法快2個數量級。此外,編碼和采樣數可以任意選擇,使該方法具有更高的靈活性。

最後,以前所未有的計算速度給出了一個典型激光全息系統的全光路跟蹤,與實驗結果吻合良好。該方法在光學顯微鏡、製造和操作等領域具有廣泛的應用前景。

Bluestein方法是由L.Bluestein提出並由L.Rabiner等人進一步推廣的一種高效方法,它是數字信號處理領域工程師們的一種很有前途的工具。Bluestein方法能夠在任意頻率下進行更一般的Fourier變換,並在全譜範圍內提高分辨率,為我們提供了高分辨率和任意帶寬的光譜縮放操作。這些科學家總結了Bluestein方法在標量和矢量衍射計算中的應用工作:

“我們重溫並推導了傅裏葉變換形式下標量衍射和矢量衍射的積分公式,然後利用布魯斯斯坦方法以更靈活的方式完全取代傅裏葉變換。在此基礎上,用指定的編碼和采樣數來評估光學衍射。”

“給出了幾個標量衍射和矢量衍射的代表性例子,以證明效率和靈活性的提高。此外,以前所未有的計算速度給出了光學全息系統的全光路跟蹤。”他們補充說:“實驗測量結果證實了這一點。”。

“為了適應光學計算的實際情況,對傳統的Bluestein方法進行了一些重要的調整,包括複雜起點的定義和附加的相移因子,”科學家們強調道他們預測,提出的快速而靈活的光場恢複方法可以在光學顯微鏡、光刻和光學操作等領域得到廣泛應用。



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