Calcul rapide et flexible de la diffraction optique

La diffraction est un phénomène optique classique qui explique la propagation de la lumière. Le calcul efficace de la diffraction est d’une valeur significative pour la prédiction en temps réel des champs lumineux. La diffraction des ondes électromagnétiques (EM) peut être cataloguée en diffraction scalaire et diffraction vectorielle en fonction de la validation de différentes conditions d’approximation. Bien que les expressions mathématiques des deux diffractions optiques aient été présentées avec autorité depuis des siècles, des percées fondamentales ont rarement été réalisées dans les algorithmes de calcul. La méthode d’intégration directe et la méthode de transformée de Fourier rapide (FFT) ont été développées et se sont avérées souffrir des limites d’une faible efficacité ou d’une faible flexibilité. Par conséquent, le calcul polyvalent de la diffraction optique d’une manière efficace et flexible est très demandé.

Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications, une équipe de scientifiques, dirigée par le professeur Jiawen Li et Dong Wu du CAS Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials, Key Laboratory of Precision Scientific Instrumentation of Anhui Higher Education Institutes, Department of Precision Machinery and Precision Instrumentation, University of Science and Technology of China et ses collègues ont proposé une méthode efficace de calcul du chemin complet en explorant les similitudes mathématiques dans la diffraction scalaire et vectorielle.

La diffraction scalaire et vectorielle sont toutes deux exprimées en utilisant la méthode hautement flexible Bluestein. Le temps de calcul peut être considérablement réduit au niveau inférieur à la seconde, qui est cinq ordres de grandeur plus rapide que celui obtenu par l’approche d’intégration directe et deux ordres de grandeur plus rapide que celui obtenu par la méthode FFT. De plus, les ROI et les nombres d’échantillons peuvent être choisis arbitrairement, conférant à la méthode proposée une flexibilité supérieure. Enfin, le tracé de la lumière sur tout le trajet d’un système holographique laser typique est présenté avec une vitesse de calcul sans précédent, ce qui correspond bien aux résultats expérimentaux. La méthode proposée est très prometteuse dans les applications universelles de la microscopie optique, de la fabrication et de la manipulation.

La méthode Bluestein est une méthode élégante conçue par L. Bluestein et généralisée par L. Rabiner et al., Qui est un outil prometteur dans l’arsenal de l’ingénieur dans le domaine du traitement numérique du signal. La méthode Bluestein est capable d’effectuer des transformations de Fourier plus générales à des fréquences arbitraires ainsi que d’augmenter la résolution sur tout le spectre, nous offrant une opération de zoom spectral avec une haute résolution et une bande passante arbitraire. Ces scientifiques résument les travaux de l’application de la méthode Bluestein dans le calcul de diffraction scalaire et vectorielle:

« Nous avons revisité et déduit les formules intégrales pour la diffraction scalaire et vectorielle dans les formes de transformée de Fourier, puis nous utilisons la méthode Bluestein pour supplanter complètement la transformée de Fourier de manière plus flexible. Sur cette base, la diffraction optique est évaluée avec des ROI et des nombres d’échantillonnage désignés. . « 

« Quelques exemples représentatifs sont donnés pour la diffraction scalaire et vectorielle pour démontrer l’amélioration de l’efficacité et de la flexibilité. De plus, le tracé de la lumière sur le trajet complet d’un système holographique optique est présenté avec une vitesse de calcul sans précédent. Et les résultats sont vérifiés par les mesures expérimentales. .  » ont-ils ajouté.

« Certains ajustements importants sont apportés à la méthode Bluestein conventionnelle, y compris la définition d’un point de départ complexe et d’un facteur de déphasage supplémentaire afin de faire face à la condition réaliste des calculs optiques », ont souligné les scientifiques. « La méthode rapide et flexible proposée pour récupérer le champ lumineux peut trouver de larges applications dans les domaines de la microscopie optique, de la photolithographie et de la manipulation optique », prévoient-ils.

Fourni par le Light Publishing Center, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics And Physics, Chinese Academy