Проекты

Расчёт параметров пучка когерентного излучения при его генерации и распространении через бирезонаторную оптическую систему

Работа победителя открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Оптика. Лазерные технологии» среди работ учащихся 7−9 классов

Направление работы: Лазерные технологии
Авторы работы: ГБОУ «Школа Бибирево»
Предметы: Физика
Классы: 9 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» 2020 года

Актуальность

Актуальность настоящего исследования связана с отсутствием развитой системы компьютерного моделирования и визуализации изменений характера пространственного распределения плотности энергии когерентных электромагнитных полей при их распространении через многокомпонентные оптические системы.

Написано большое количество научных работ по физике, в которых содержатся разные модели, описывающие распространение лазерного излучения в различных средах, однако какого-то специализированного программного средства разработки энергоэффективных оптических систем и визуализации процессов генерации и распространения когерентного излучения в них, по всей видимости, ещё не создано.

Поскольку при проектировании вооружений на новых физических принципах и энергоэффективных оптических промышленных установок исследователи и инженеры всё равно продолжают до 95% информации воспринимать с помощью зрения, задача визуализации результатов моделирования распространения фронта волны когерентного излучения с помощью широкодоступного программного обеспечения также оказывается достаточно актуальной.

Цель

Количественная оценка минимального значения радиуса перетяжки сфокусированного гауссова пучка когерентного излучения в бирезонаторной оптической системе с одной сопрягающей линзой.

Задачи

1. Изучение формул, описывающих фокусировку гауссовых пучков.

2. Разработка алгоритма расчёта зависимостей геометрических характеристик (диаметра, угловой расходимости и радиуса кривизны фронта волны) пучка излучения аргонового лазера от параметров оптической системы, в которой он генерируется и распространяется (длины волны, на которой осуществляется генерация; радиусов кривизны зеркал генерирующего и параметрического оптических резонаторов; расстояний между элементами оптической системы и т. д.)

3. Программная реализация алгоритма, постановка численного эксперимента и визуализации полученных зависимостей с помощью среды программирования MatLab.

Описание

В работе с помощью методов численного моделирования визуализирован характер изменения радиуса перетяжки гауссова пучка в зависимости от расстояния от сопрягающей линзы бирезонаторной оптической системы до выходного зеркала аргонового лазера при различных значениях шага дискретизации численной модели. Показано, что при реалистичных, достаточно малых (~15 мкм) значениях радиуса сфокусированного пучка отличия от прогноза, выполненного в приближении геометрической оптики, наблюдаемы.

Практическая значимость исследования обусловлена возможностью применения полученных результатов или их аналогов и следствий при проектировании многокомпонентных оптических систем, предназначенных для фокусировки когерентного излучения в некоторых удалённых областях пространства, обработки поверхностей тех или иных материалов с целью их микротекстурирования, генерации неклассических световых полей и т. д.

Теоретическая значимость исследования обусловлена возможностью визуализации характера изменения радиуса перетяжки пучка когерентного излучения в зависимости от изменения значений любого из параметров бирезонатроной оптической системы при неизменных значениях остальных. Такая визуализация позволяет ранжировать соответствующие параметры по технологической значимости для достижения максимально возможной при прочих равных фокусировки лазерного излучения.

 

Результаты работы/выводы

Написан программный код, предназначенный для моделирования распространения лазерных (гауссовых) пучков в бирезонаторной оптической системе.

С помощью метода компьютерного моделирования получена реалистичная оценка радиуса пучка, в который можно на практике сфокусировать излучение аргонового лазера с известными характеристиками (~15 мкм).

При макроскопических измерениях сложно заметить разницу между фокусировкой цилиндрических и гауссовых пучков, т. к. соответствующие отличия наблюдаются на границе применимости приближения геометрической оптики (тем не менее, в принципе их можно заметить, т. к. 15 мкм – примерно в полтора раза толще человеческого волоса, а сфокусировать излучение от обычных (некогерентных) источников в такие «маленькие» точки не удаётся).

Перспективы использования результатов работы

В рамках развития проекта планируется создать программный модуль, с помощью которого можно было бы моделировать распространение когерентного излучения в сложных оптических системах из большого количества элементов. Это необходимо для развития цифрового проектирования лазерно-оптических систем различного назначения.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет»