Введение к работе
з
Актуальность работы. Современный этап развития светотехнической науки и техники характеризуется тремя существенными достижениями.
Во-первых, создание источников света нового поколения -полупроводниковых лазеров и светодаодов, которые стали применяться как для освещения, так и в различных светотехнических приборах, в частности, в оптико-электронных системах. Они имеют следующие преимущества по сравнению традиционными источниками: высокая направленность излучения, большая плотность мощности, высокая когерентность и т.д. Примерами применения лазерных источников в области освещения являются лазерные шоу и различные виды рекламы. Свойства высокой направленности и высокой когерентности новых световых источников позволяют широко применять их во многих областях, особенно в оптических методах измерения. Известные достоинства оптических методов - высокая чувствительность, бесконтактность применения, отсутствие влияния на параметры исследуемого явления, возможность проведения качественных и количественных измерений - способствовали использованию их при визуализации и изучении неоднородностей в прозрачных средах.
Во-вторых, развитие новых методов цифровой регистрации светимости объектов позволяет создавать новые способы измерения различных световых величин. Совместное использование цифровой регистрации оптических изображений и их цифровой обработки дает возможность сократить затраты труда и времени, а также повысить точность измерения.
В-третьих, современные компьютерные технологии позволяют проводить математическое моделирование сложных физических явлений, которые можно увидеть визуально только после трудоемкой компьютерной обработки их изображений.
Одним из современных методов исследования оптически неоднородных сред является метод лазерной рефрактографии, основанный на освещении оптически неоднородной среды структурированным излучением, регистрации создаваемой
им освещенности экрана и компьютерной обработке изображения рефракционных картин, наблюдаемых на экране. Основная сложность исследования неоднородных сред заключается в их нестационарности, существенной нерегулярности. Аналитическое решение прямой задачи расчета и визуализации распространения геометрооптических лучей в оптически неоднородной среде возможно, если среда является сферически неоднородной, показатель преломления которой зависит только от радиуса вектора п = п(г) в сферической системе координат.
Цель работы. Основной целью данной работы является разработка методов расчета освещенности экрана для исследования распространения оптического излучения в оптически прозрачной неоднородной среде с учетом интерференции и сильной рефракции. Для этого необходимо было решить следующие задачи:
разработать алгоритм и создать математическую модель расчета освещенности экрана в разных светотехнических схемах, провести анализ влияния различных параметров интерференционных схем на измените освещенности экрана;
разработать метод расчета и исследовать распространение монохроматического излучения в прозрачной сферически неоднородной среде в приближении геометрической оптики;
разработать методику расчета освещенности экрана в каустической области в приближении геометрической оптики с учетом интерференционных явлений;
разработать алгоритм и создать программу расчета освещенности на
виртуальных экранах, а также изображения светового излучения в трехмерном
пространстве для оптически сферической неоднородной среды с известным
законом распределения показателя преломления; " создать экспериментальную установку для проверки расчетных соотношений,
полученных в предыдущих главах; » разработать метод обработки экспериментальных данных для решения
обратной задачи - восстановления параметров оптически неоднородной среды.
Научная новизна работы:
Разработана обобщенная теория расчета освещенности экрана для распространяющихся в однородной среде двух когерентных пучков. Рассмотрены три вида пучков и три основных типа оптических схем.
Разработана теория и алгоритм расчета изменения формы и расходимости астигматического пучка, распространяющегося в сферически неоднородной среде.
Разработана теория расчета освещенности экрана для широкого светового пучка в сферически неоднородной среде с учетом сильной рефракции.
Разработан алгоритм и создана программа обработки результатов освещенности экрана с целью решения обратной задачи.
Основные положения, выносимые на защиту;
» Разработанный метод расчета позволяет определять освещенность экрана для различных типов пучков в различных оптических схемах.
» Разработанный метод расчета позволяет определять освещенность экрана при наличии сильной рефракции в сферически неоднородной среде и моделировать как интерференционные, так и рефракционные явления.
Созданная экспериментальная установка на базе He-Ne лазера и цифровой регистрации освещенности экрана позволяет исследовать сферический пограничный слой как рефракционным, так и интерференционным методом.
Разработанный алгоритм и созданная программа обработки картин освещенности экрана позволяют восстанавливать распределения показателя преломления сферически неоднородной среды.
Практическая ценность работы :
Практическую значимость работы определяют следующие результаты:
в разработана компьютерная программа INTER-MOD моделирования освещенности экрана для когерентных лазерных пучков в среде MathCad;
разработана компьютерная программа INTER-PROC обработки картин освещенности экрана на основе преобразования Фурье;
разработана компьютерная программа LAREF-3D расчета и визуализации освещенности экрана в трехмерном пространстве;
разработана компьютерная программа LAREF-PROC обработки экспериментальных рефрактограмм для решения обратной задачи.
Внедрение: Результаты работы были использованы при создании макета экспериментальной установки и при подготовке описания лабораторных работ «Компьютерное моделирование интерференции лазерных пучков» по курсам «Основы информационной оптики» и «Лазерная интерферометрия» для студентов, обучающихся по специальности «Квантовая и оптическая электроника».
Достоверность полученных результатов: 1 Результаты расчета изменения освещенности экрана для широкого пучка в
каустической области сравнивались с экспериментальными картинами. 1 Данные, полученные по предложенному методу расчета и обработки
экспериментальных картин освещенности экрана сравнивались с результатами
непосредственного измерения температуры шара с помощью термопары; при
этом наблюдалось совпадение результатов сравнения в пределах
методической погрешности эксперимента. Апробация работы:
Основные материалы работы докладывались на следующих конференциях и семинарах в период с 2004 по 2009 гг.: VIII, IX, X Международных научно-технических конференциях «Оптические
методы исследования потоков»; Москва,2005, 2007, 2009 гг.; в 10,11,12,14,15 Международных научно-технические конференциях студентов и
аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", МЭИ (ТУ),
2004-2009 гг.
» 7-й Всероссийской молодежной научной школе «Материалы нано-, микро-,
оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение»,
Саранск, 2008 г. 8-й Всероссийской конференции с элементами молодежной научной школы
«Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики:
физические свойства и применение», Саранск, 2009 г. Публикации: Основные материалы диссертации опубликованы в 18 печатных работах, из них 2 статьи - в реферируемых журналах, 4 статьи в трудах конференций, 4 работы в тезисах докладов на конференциях, 2 программных средства учебного назначения, одно учебное пособие, без соавторов - 7 работ.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 149 страниц машинописного текста, включая 65 рисунков, 4 таблицы, 45 наименований списка литературы, 2 приложения.
