Введение к работе
Актуальность темы. В физической электронике рассматриваются процессы возбуждения , распространения, регистрации электромагнитного излучения. В диссертационной рабо-тее исследуются вопросы регистрации электромагнитных полей, их анализа и восстановления по результатам регистрации.
Диссертационная работа посвящена разработке моделей оптических систем анализа и восстановления волновых полей. Эта аа-дача, будучи чрезвычайно актуальной в момент начала исследований, составивших основу диссертации (начало восьмидесятых годов) , сохраняет свою актуальность и по сей день.
Эта актуальность обусловлена рядом практических приложений , таких как получение мощных лазерных пучков высокой направленности, наведение лазерного излучения на малые и удаленные объекты, эффективная передача к ним излучения через реальные неоднородные трассы, динамическая коррекция волновых Фронтов, управление диаграммой направленности излучения, восстановление изображений и пр.
Современные методы исследований в области физической электроники требуют наличия современных методов обработки электромагнитных полей на приемном оптическом устройстве ( например, адаптивной оптической системе) для сравнения с исходным полем, его коррекции и управления. Восстановить фазу поля, значит восстановить само поле , полно и точно провести его анализ с помощью методов и математического аппарата.
Значительные успехи, достигнутые к последнему времени з этом направлении на базе ?иетодов адаптивной оптики ( метод апертурного зондирования, метод фазового сопряжения) и обращения волнового фронта ( методы нелинейной оптики), не позволяют, тем не менее,решить ряд принципиальных специфических проблем, возникающих, например, при спектральном анализе и последующей корректировке волновых полей с помощью объемных голограмм. Дело в том, что на фоне общей высокой эффективкости указанный метод анализа объектного поля, основанный на спектральном разложении поля по системе ортогональных функций, обладает существенным недостатком - точность, с которой осуществляется анализ восстановленного голограммой поля, в значительной степени определяется свойствами регистрирующей
- 4 -среды: ее чувствительностью, разрешающей способностью и пр.
В значительной степени указанный недостаток, как показано в диссертации, может быть устранен за счет записи спектра исследуемого волнового поля ( точнее коэффициентов разложения поля) по полной системе ортогональных функций, например, функций Уолша.
Разработка математической модели оптических систем, функционирующих на данном принципе, с использованием широкого спектра разновидностей "затравочных " функций и достаточно большого набора объектных полей, а также анализ и обоснование достоверности модели явились основной целью диссертации. При регистрации волновых полей обычным фотографическим способом записывается распределение в пространстве интенсивности волны, а информация о ее фазе - теряется. Проблема восстанов-. ления фазы электромагнитного поля по амплитудным распределениям получила название фазовой проблемы. Голография решает фазовую проблему , ко ценой наличия опорной волны, для чего необходимо специальное оборудование. Кроме того, исследование ряда физических процессов не позволяет использовать опорный пучок ( например, в радиоастрономии, радиолокации и т.д.). Альтернативой голографическому методу являются методы регистрации и восстановления волнового фронта по амплитудным распределениям.
Математическое моделирование и разработка алгоритмов процессов восстановления фазы волновых полей было предпринято с конца 60-х годов в связи с развитием компьютеров, способных решать сложные математические задачи. Отметим в этой связи работы Гершберга и Сэкстона, Воронцова и Сивоконя, Кузнецовой и Кузнецова и другие. Однако указанные методы требуют регистрации изображений не менее чем в двух плоскостях, недостаточно устойчивы к шумам.
Исходя из вышеизложенного разработка устойчивого к шумам метода, позволящего получить пространственное изображение объекта, который изучаетс-я в физической электронике, по единственной его фотографии в Зурье-плоскости, зарегистрированной обычным путем, является актуальной.
Цель работы. Повышение точности и качества анали за электромагнитных полей на основе метода восстановления волнового фронта по единственному распределению интенсивности,
- 5 -устойчивого к шумам. Построение математической модели оптической системы на осново предложенного метода и алгоритма.
Построение адаптивной оптической системы,функционирущей на основе предлагаемого метода восстановления и анализа электромагнитного поля , ее численное моделирование, анализ работы.
Методы исследования. Методология исследования основана на положениях физической электроники и оптики ,. Фурье-анализа, математического моделирования, вероятностного и статистического анализа. Существенно используются свойства системы уравнений Максвелла, математические модели представлены в безразмерной форме. Расчеты выполнены на ЭВМ "Сименс 7.536-20" И ЕС-1045.
Научная новизна заключается в:
методе и алгоритме оптимизации восстановления комплексного электромагнитного поля , основанного на компьютерном анализе оптического амплитудного транспаранта,
определении порога устойчивости метода,
прикладном алгоритмическом и программном обеспечении для математического моделирования предложенного метода на ЭВМ,
адаптивной оптической системе с обратной связью, функционирующей на основе предложенного и исследованного метода регистрации и восстановления электромагнитных полей по единственному распределению иетенсивности, в которой корректор и анализатор волнового фронта представляют собой поршневые зеркала,
модели оптической адаптивной системе анализа и коррекции волновых фронтов на основе динамического транспонирования объектных полей по набору ортогональных функций,
модели адаптивного зеркала, построенной для использования в адаптивной оптической системе.
Практическая ценность работы заключается в :
1. Методе восстановления комплексных электромагнитных полей, позволяющем получать пространственное распределение фазы объекта по единственному его амплитудному отображению на регистрирующей среде без опорного пучка.
2. Универсальном алгоритмическом и программном обеспече
ние, позволяющем успешно решать следующие практические задачи:
улучшить точность анализа результатов аттестации оптических транспарантов, проводимых на интерферометре Майкельсо-на с целью улучшения их качества,
получать объемные изображения с повышенным разрешением и фазовым контрастом кристаллических решеток различных материалов, исследуемых на электронном микроскопе,
регистрировать и восстанавливать быстропротекающке процессы на входе адаптивных оптических систем, при невозможности получить более одного изображения поля.
-
Адаптивной оптической системе с обратной связью, в которой корректор и анализатор волнового фронта представляет собой поршневые зеркала, на которых осуществляется модуляция и соответственно коррекция фазы. Эта система использует метод регистрации .анализа и восстановления электромагнитного поля и может быть использована в радиолокации и радиоастрономии.
-
Адаптивном зеркале, являющемся составной частью адаптивной оптической системы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
Всесоюзной школе по голографии и когерентной оптике (г. Черновцы, 1989 г.);
Всесоюзной школе по голографии и когерентной оптике (г. Тольятти, 1990 г.);
семинаре по проблемам когерентной оптике в Московском университете (г. Москва,1990 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 4 статьи С 1 - 4 3.
Структура и объем диссертации, диссертация состоит из введения,, обзора литературы , двух глав и заключения, изложенных на 150 страницах машинописного текста. Рисунки, таблицы , листинги программ и приложения занимают 72 страницы, список литературы включает 57 наименований.
