CC BY
31
КОНФОРМНАЯ ДИФРАКЦИОННАЯ КВАЗИОПТИКА: ОТ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН ДО ФОКУСИРОВКИ УДАРНЫХ ВОЛН
Игорь Владиленович Минин
630092, Новосибирск, пр. Маркса 92, Новосибирский государственный технический университет, доктор технических наук, профессор кафедры защиты информации, тел. 83833460853, e-mail: [email protected]
Олег Владиленович Минин
630092, Новосибирск, пр. Маркса 92, Новосибирский государственный технический университет, доктор технических наук, профессор кафедры защиты информации, тел. 83833460853, e-mail: [email protected]
Приведен краткий обзор физических методов преобразования волновых фронтов трехмерными (конформными) дифракционными элементами миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Рассмотрены некоторые перспективные области их применения от электромагнитных волн до механики сплошных сред.
Ключевые слова: дифракционная квазиоптика, миллиметровые волны, дифракция.
CONFORMAL DIMENSIONAL DIFFRACTIVE QUASI-OPTICS: FROM MILLIMETER WAVE TO SHOCH WAVE FOCUSING
Igor V. Minin
Novosibirsk State Technical University, professor of information protection department, e-mail: [email protected]
Oleg V. Minin
Novosibirsk State Technical University, professor of information protection department, e-mail: [email protected]
The brief review of physical methods of transformation of wavefronts by the threedimensional (conformal) diffractional elements of millimeter and submillimeter waves is discussed. Some perspective fields of application from electromagnetic waves up to a continuous mechanics are considered.
Key words: diffractive quasioptics, millimeter wave, diffraction.
Во многих областях науки для различных приложений существует необходимость получать различного рода преобразования волнового фронта, в том числе с целью получения изображений, с помощью волновых полей. При решении таких задач требуется формировать волновое поле с заданными пространственными характеристиками. Класс задач такого рода чрезвычайно широк - это задачи распознавания образов, построения изображений трехмерных объектов, построения дифракционных элементов, предназначенных для фокусировки излучения в заданную трехмерную область
пространства, дифракционной томографии, синтеза многолучевых сканирующих антенн, в том числе на трехмерных поверхностях и т.п.
В оптическом диапазоне длин волн классической задачей обработки изображений является улучшение качества. Эта задача впервые возникла в оптике и всегда решалась построением все более совершенных оптических систем, т.е. методами оптической обработки с применением рефракционных систем - линз и зеркал.
В то же время осуществить заданное преобразование волновых полей возможно на основе явлений дифракции. Характерной особенностью таких элементов является то, что их толщина сопоставима с длиной волны излучения, эти элементы очень «тонкие»: путем перехода от традиционного
рефракционного элемента, толщина которого составляет несколько тысяч длин волн, к тонкому оптическому элементу фаза последнего приводится к интервалу [0, 2л), вследствие чего толщина дифракционного элемента оказывается чрезвычайно малой. Кроме того, такая операция приводит к тому, что фокусирующие свойства элементов становятся зависящими от длины волны падающего излучения. Свойства элементов дифракционной квазиоптики (хроматизм) стали рассматриваться не как источники погрешностей и недостатков, а как дополнительная степень свободы, предоставляющая новые возможности для фокусировки излучения или коррекции волнового фронта [1]. В то же время дифракционный принцип управления волновыми фронтами позволяет создавать элементы со свойствами, принципиально недостижимыми при классических, рефракционных подходах [2].
Развитие дифракционных методов преобразования волновых фронтов не только открыло совершенно новые возможности в задачах видения (стало возможным принципиальное улучшение качества трехмерного изображения), но оно открыло и целый ряд новых научных направлений на стыке информатики, радиофизики и радиооптики. Дифракционная квазиоптика служит стимулом развития таких дисциплин, как теория квазиоптических систем и приборов, геометрическая и волновая оптика, дифракционная теория распространения излучения и формирования изображения, иконика и информатика. К этим дисциплинам принадлежит и конформная (трехмерная) дифракционная квазиоптика, в которой российским ученым принадлежит мировой приоритет. Конформные ДОЭ обладают целым рядом преимуществ, отсутствующих у плоских элементов: широкоугольное сканирование луча без изменения его характеристик, регулируемая полоса пропускания, совмещение излучательной поверхности с поверхностью различных объектов и т.п.
Значительное количество научных групп и исследователей в институтах Российской Академии наук, в университетах занимается проблемами дифракционного преобразования волновых фронтов. Следует упомянуть школы Нижнего Новгорода, Самары, Казани, Воронежа, Новосибирска, ученых из МГУ, ИАиЭ СО РАН, ГОИ и других. В то же время абсолютное большинство работ в этих коллективах выполнялось применительно к оптическому диапазону, который принципиально отличается от миллиметрового. Достаточно сказать, что диаметр квазиоптического элемента в оптическом диапазоне,
выраженный в длинах волн, на несколько порядков больше, чем на СВЧ. Кроме того, одной из основных характеристик дифракционного элемента является его дифракционная эффективность, которая в оптике определяется как отношение потока световой энергии, собираемой элементом в главном фокусе (в первом порядке дифракции), ко всему потоку, прошедшему через элемент. В оптике это приближение справедливо, поскольку прошедшая через элемент энергия практически не отличается от падающей на его поверхность. В миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн существенны эффекты поглощения излучения в материале дифракционного элемента (тангенс угла потерь на 3-4 порядка больше, чем в оптике) и его дифракционную эффективность следует определять, как отношение энергии, собираемой элементом в главном фокусе (в первом порядке дифракции), ко всему потоку, падающему на поверхность элемента [1, 2]. Эти обстоятельства и ряд других зачастую не позволяют использовать весь арсенал разработанных в оптике методов проектирования, синтеза и оптимизации соответствующих плоских элементов и систем.
Кроме того, вопросы дифракционного анализа структуры поля в области фокусировки ДОЭ ММДВ представляют значительный самостоятельный интерес в силу возможности моделирования соответствующих новых элементов интегральной оптики, где подобные прямые исследования крайне затруднены. При этом в ММДВ появляется уникальная возможность изготовления и исследования ДОЭ с предельно высоким оптическим качеством (отступление формы изготовления ДОЭ от заданной не превышает АУ120), что не достижимо в настоящее время в оптическом и лазерном диапазонах длин волн [1, 2].
Нами была поставлена задача создания дифракционных квазиоптических элементов с широкими функциональными возможностями, и она формулируется как обратная задача теории дифракции, которая в данном случае решается относительно границ, профиля зон и профиля поверхности дифракционного элемента. Причем ограничения, как правило, являются такими: например, задано распределение интенсивности; задано распределение фазы; задано и то, и другое, причем в существенно трехмерной области фокусировки. Отметим, что в научных публикациях соответствующий приоритет отдается российским исследованиям. Подробно эти вопросы были изложены в изданных за рубежом монографий [4, 11-12], инициатива издания которой принадлежит бывшему директору Georgia Technology Institute (USA), Dr. James Wiltse.
Оказалось [1, 4, 5], что дифракционные элементы, рассчитанные по законам геометрической оптики и предназначенные для фокусировки электромагнитного излучения, с успехом могут применяться и для фокусировки ударных волн, причем давление в области фокусировки сравнимо или больше давления предельного однократного сжатия среды, и в этом случае акустическое приближение не применимо. Такие системы могут найти широкое применение, например, в медицине для разрушения камней в почках, создания новых систем звуковидения, для направленного изучения экстремальных свойств материалов, геофизике, при разработке ресурсосберегающих технологий освоения недр и т.п. (рис.1).
С практической (технологической) точки зрения гораздо выгоднее сформировать рельеф дифракционного элемента на поверхности вращения, так как это помогает уменьшить пространственные частоты структуры ДОЭ [11]. Направление синтеза дифракционных оптических элементов на вогнутых или выпуклых поверхностях вращения, появившееся позднее, чем в СВЧ диапазоне [6], позволяет создавать принципиально новую оптику лазерных систем, оптических и рентгеновских телескопов, систем многоканальной связи.
Рис. 1. Динамика взаимодействия ударной волны с дифракционной решеткой
Следует отметить направление синтеза дифракционных элементов с глубоким фазовым рельефом. В этом случае такие элементы могут совмещать в себе достоинства рефракционной оптики и возможности дифракционной, что позволяет осуществить, в том числе, синтез ахроматичных дифракционных элементов [7]. Фазовая структура таких элементов должна иметь рельеф поверхности глубиной около десятка длин волн. Работа ДОЭ на частотных гармониках позволяет путем выбора числа уровней квантования фазы использовать такой элемент в качестве либо фильтра, либо многодиапазонного элемента на кратных длинах волн. Кроме того, использование излучения с частотными гармониками более 5...7 позволяет рассматривать такой дифракционный элемент как ДОЭ с глубоким фазовым профилем. Это свойство позволяет создавать элементы для работы в крайне широком спектре с ахроматическими и апохроматическими свойствами (операция квантования фазы позволяет получить частичную ахроматизацию ДОЭ, если глубина рельефа много больше 2л). В этом случае одновременно для нескольких длин волн спектра глубина фазового профиля будет кратна 2л, но с различным коэффициентом кратности. Такой высокопорядковый ДОЭ будет иметь высокую эффективность фокусировки излучения в окрестности этого набора длин волн. Однако в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне реализация высокопорядковых ДОЭ приводит к снижению дифракционной эффективности из-за потерь энергии в материале ДОЭ. В оптике такое направление появилось позднее, чем в технике СВЧ [8].
Проблема дифракционного преобразования СВЧ волновых полей, безусловно, относится к информационным технологиям. Данная проблема
является типичным примером рассмотрения интегрального научного направления, построенного на основе оптики, акустики, радиофизики, механики сплошной среды. Поэтому по мере углубления в изучение природы изображений и методов преобразования волновых полей, проблемы управления пространственно-временными характеристиками волновых полей, перед нами открывается все больше и больше новых задач.
Представляется существенным, что в исследованиях по рассмотренным выше и другим перспективным направлениям могут принимать участие и студенты ВУЗов, поскольку формализация и детализация конкретных задач позволяет разбить соответствующую научно-техническую проблему на совокупность более мелких подзадач, доступных для решения студентами и аспирантами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Минин И.В., Минин О.В. Дифракционная квазиоптика.- Москва: ИнформТеи, 1992.-180 с.
2. Минин И.В., Минин О.В. Дифракционная квазиоптика и ее применения. -Новосибирск: СибАгс, 1999. - 382 с.
3. А.С.1617398 СССР, МКИ G02B27/42. Зонная пластина / Минин И.В., Минин О.В. Подано 26.09.1988. Опубликовано 21.09.1989 //Бюлл. изобрет. - 1989. - № 28. - Приоритет от 26.09. 1988.
4. Minin O.V., Minin I.V. Diffractive optics of Millimeter waves. - IOP Publisher, London, 2004. - 465 p.
5. Minin V.F., Minin I.V., Minin O.V. The dynamics of shock wave focusing with the elements of diffraction quasioptics. // Book of abstracts of the 18th Int. Symp.on SW, Sendai, July 21-26 1991, Japan. - P.90.
6. Churin E.G., Bayvel P., Shirnitskii V.B. et al. Concave grating and convex mirror double dispersion spectrograph for optical network applications // Appl. Opt., 1997. - V.36 - P. 7822 -7825.
7. А.С. 1762651 СССР. Устройство для фокусировки излучения /Минин И.В., Минин О.В. Подано 5.07.1989. Опубликовано 21.09.1990 // Бюлл. изобрет. - 1990. - № 34. -Приоритет от 5.07.1989.
8. Faklis D., Morris M. Spectral properties of multiorder diffractive lenses // Appl. Opt., 1995. - V.34 - P.2462 - 2468.
9. А.С. 1596417 CCCP, МКИ H01Q15/12. Зонная пластина /Минин И.В., Минин О.В. Подано 28.3.1988. Опубликовано 30.09.1990 // Бюлл. изобрет. - 1990. - № 36. - Приоритет от 28.3.1989.
10. Minin I.V., Minin O.V. The Dielectric Non-Metallic Reflecting FZP Antennas. // Proceedings of the 25th International Conference on Infrared and Millimeter Waves, September 1215, 2000, Beijing, China. - P. 461-462.
11. Minin I.V, Minin O.V. Three Dimensional Fresnel Antennas. - Research Signpost, Kerala, India, 2005. - 25p.
12. Minin I.V, Minin O.V. Basic Principles of Fresnel Antenna Arrays. Springer, Series: Lecture Notes Electrical Engineering , Vol. 19, 2008. - 310P.
© И.В. Минин, О.В. Минин, 2012
