Современные наукоемкие технологииrae.ru
Научный журнал

Современные наукоемкие технологии

ISSN 1812-7320«Перечень» ВАКИФ РИНЦ = 1,279

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИФРАКЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ ПРИ МОДУЛЯЦИИ СВЕТОВОГО ПОТОКА В ОТКРЫТОМ ИЗМЕРИТЕЛЬНОМ КАНАЛЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО РАСТРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

1Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Самарский государственный технический университет»

Введение

Волоконно-оптические преобразователи широко применяются в высокоточных измерительных системах благодаря универсальности и устойчивости к внешним воздействиям [1]. Управление оптическим потоком осуществляется модулирующими устройствами предельного и поглощающего типов. Среди них выделяются растровые решетки – периодические структуры с переменным пропусканием, служащие для преобразования линейных и угловых перемещений в цифровой код. Такие решетки обеспечивают линейность характеристик, высокую стабильность и адаптируемость к требуемому диапазону измерений, а также устойчивы к вибрации и температурным колебаниям. Применение растровых преобразователей устраняет влияние нестабильности питающего напряжения и температуры на выходной сигнал, а амплитудно-логический метод обработки гарантирует высокую точность в широком температурном диапазоне. При микронных размерах элементов открытого измерительного канала доминирующую роль начинают играть дифракционные эффекты на круглом отверстии диафрагмы. Некорректный учет этих эффектов ведет к ошибкам позиционирования решетки и снижению точности, что обусловливает актуальность разработки строгой математической модели дифракции в ближней зоне и создание на ее основе вычислительного инструментария для инженерного проектирования.

Цель исследования – построение математической модели распространения света в открытом канале волоконно-оптического растрового преобразователя на основе интеграла Рэлея – Зоммерфельда, численное моделирование и создание программного комплекса, позволяющего проводить многовариантные вычислительные эксперименты для определения рациональных геометрических параметров преобразователя.

Материалы и методы исследования

Постановка задачи математического моделирования

На рис. 1 представлен волоконно-оптический растровый преобразователь. Показан случай пропускания светового потока через пропускающий участок решетки. В случае с поглощающей частью решетки световой поток поглощается полностью, соответственно сигнал с отводящего оптического волокна не поступает.

Согласно исследованиям [2] выявлено, что для данного преобразователя целесообразно расположить растровую решетку и отводящее оптическое волокно в зоне наибольшей интенсивности излучения и резкого перепада сигнала, то есть на расстоянии до xкр, так как для дальнейшего преобразования необходимо только наличие либо отсутствие светового потока на отводящем торце. Для оптического волокна с диаметром сердцевины dc = 200 мкм и апертурным углом θNA = 12° расстояние xкр составит примерно 470 мкм. Соответственно, возникает одна из сложнейших задач расположения всех элементов преобразователя в пределах данного расстояния с учетом затухания светового потока и влияния дифракции [3].

Рис. 1. Распределение светового потока в открытом канале волоконно-оптического преобразователя: ПОВ – подводящее оптическое волокно, ООВ – отводящее оптическое волокно, dc – диаметр сердцевины оптоволокна, dо – диаметр отверстия диафрагмы, xкр – дистанция формирования светового пучка, sк – толщина клеевого слоя, sд – толщина диафрагмы, sр – толщина растровой решетки, xок – длина открытого оптического канала, x1 – расстояние между диафрагмой и растровой решеткой, x2 – расстояние между растровой решеткой и ООВ Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

В данном случае используется диафрагма из фольги с круглым отверстием диаметром dо = 8 мкм, ограничивающая расходимость пучка. Прошедшее через нее излучение попадает на растровую решетку с шириной полосы пропускания 8 мкм, где в зависимости от локального коэффициента пропускания поглощается либо поступает в отводящее оптическое волокно [4].

Математическая модель дифракции

Большое значение в оптических системах имеет явление дифракции. Понятие дифракции в оптике связано с нарушением прямолинейности распространения света в среде с неоднородностями, такими как отверстия, края экранов и т. д. Согласно скалярной теории дифракции основными методами, применяемыми при численных расчетах, являются приближения Френеля и Фраунгофера, а также метод углового спектра [5]. В ближнем поле более строгим считается интеграл Рэлея – Зоммерфельда первого типа, который представляет собой решение скалярного волнового уравнения в полупространстве с граничным условием Дирихле и тесно связан с методом углового спектра. Данный интеграл используется при малых расстояниях распространения волнового фронта порядка десятков длин волн [6].

Распределение электрического поля дифрагирующего света в точке (x, y, z) задается дифракционным уравнением Рэлея – Зоммерфельда первого типа [7, 8]:

, (1)

где E (0, y0, z0) – начальное поле в плоскости диафрагмы (x = 0),

– расстояние от точки в плоскости отверстия диафрагмы (0, y0, z0) до наблюдаемой точки (x, y, z),

i – мнимая единица,

λ – длина волны,

x – ось распространения световой волны,

k = 2π/λ – волновое число,

cosθ = x/r– направляющий косинус угла между x и r.

Рис. 2. Распределение светового потока при прохождении диафрагмы с круглым отверстием Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Интегрирование ведется только по площади круглого отверстия S, так как поле вне отверстия равно нулю. Все геометрические размеры выражаются в микрометрах. Формула (1) соответствует интегралу Рэлея – Зоммерфельда первого рода в приближении kr≫1; по сравнению с точным осевым решением [9], вносимая этим погрешность осевой интенсивности не превышает 0,02 % при x ≥ 18 мкм и составляет около 0,5 % при x = 5 мкм.

На рис. 2 представлен случай распределения светового потока от излучающего торца ПОВ при прохождении через диафрагму с круглым отверстием, где θ – угол дифракционной расходимости, r – расстояние от точки в плоскости отверстия диафрагмы до наблюдаемой точки, dc – диаметр сердцевины ПОВ, dо – диаметр отверстия в диафрагме, x – ось распространения световой волны.

В модели принимается, что отверстие освещается пространственно когерентной плоской волной, падающей по нормали. Поскольку диаметр сердцевины ПОВ значительно превышает диаметр отверстия, поле в плоскости x = 0 при этом можно считать равномерным в пределах отверстия и равным нулю вне его (границы применимости допущения обсуждаются ниже):

(2)

Амплитуда E0 в модели полагается равной единице, так как в дальнейшем анализируется относительное распределение интенсивности I = |E|2.

Вне оптической оси интеграл Рэлея – Зоммерфельда в ближней зоне не выражается в замкнутом виде, поэтому необходимо построить численную схему [10], обеспечивающую компромисс между точностью и вычислительной эффективностью.

Реализация численной схемы

Область отверстия покрывается равномерной прямоугольной сеткой с шагом Δy0 = Δz0. Для адекватного воспроизведения фазовых соотношений шаг выбран из условия Δy0 ≤ λ/10; вопросы выбора шага дискретизации при численном интегрировании формулы Рэлея – Зоммерфельда рассмотрены в [6]. Шаг λ/2 соответствует пределу Найквиста для распространяющихся волн, пространственные частоты которых не превышают 1/λ. Однако при расстояниях порядка десятков длин волн фаза ядра eikr между соседними узлами меняется на величину до kΔy0sinθ, и для точного воспроизведения интерференционных членов в ядре интеграла требуется запас: при Δy0 = λ/10 этот набег не превышает 2 π/10 рад. Достаточность выбранного шага подтверждена исследованием сходимости (табл. 2).

Интеграл аппроксимируется двойной суммой по узлам сетки, попадающим в круглое отверстие:

(3)

где а индексы p, q нумеруют активные узлы.

Погрешность такой аппроксимации обусловлена заменой гладкой подынтегральной функции ее значениями в узлах сетки. Для функций с осциллирующим множителем eikr эта составляющая убывает с уменьшением шага по степенному закону; к ней добавляется погрешность ступенчатой аппроксимации границы круглого отверстия прямоугольной сеткой, которая и определяет фактический порядок сходимости; для уменьшения этой составляющей при криволинейной границе области применяют, например, треугольные сетки [11]. Погрешность оценивается методом повторного счета на последовательно сгущаемых сетках с экстраполяцией по правилу Рунге:

По данным табл. 2 разности решений на последовательных сетках уменьшаются примерно вдвое при уменьшении шага вдвое, то есть наблюдаемый порядок сходимости p ≈ 1, а не p = 2, характерный для квадратурной формулы при гладкой границе области), и именно это значение использовано в оценке. Для шага λ/10 погрешность дискретизации составляет около 0,4% по максимальной интенсивности и около 0,15% по диаметру пятна. Эта оценка справедлива в предположении асимптотического режима сходимости и сама по себе не является погрешностью относительно точного решения; близость к точному решению подтверждается сравнением с точным аналитическим решением на оси: при x = 30 мкм решение с шагом λ/10 отличается от него на 0,36 %, что согласуется с приведенной оценкой, а интегрирование в полярных координатах, не использующее ступенчатую аппроксимацию границы, воспроизводит его с расхождением менее 0,01 %.

Интенсивность вычисляется как

. (4)

Параметры численного эксперимента, использованные при моделировании, сведены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры численного эксперимента

Параметр

Значение

Длина волны λ, мкм

0,85

Диаметр отверстия d₀, мкм

8,0

Размер расчетного окна в плоскости наблюдения, мкм × мкм

40 × 40

Шаг сетки в плоскости

отверстия Δy₀ = Δz₀, мкм

0,085 (λ/10)

Число узлов по диаметру отверстия

95

(94 интервала)

Шаг по продольной

координате x, мкм

0,5

Критерий остановки по x

x ≤ 200 мкм

Нормировка

интенсивности

Imax в сечении

x = 30 мкм

принята за 1,0

Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования.

Оценка погрешности квадратурной формулы (3) дополнительно проведена сравнением с аналитическими решениями на оси и в дальней зоне и кросс-верификацией с независимым кодом; полученные расхождения не превышают 0,9 %.

Прямое вычисление двойной суммы для каждой точки наблюдения стандартными циклическими конструкциями приводит к неприемлемым временным затратам. Поэтому в основу программной реализации положена техника векторизации с использованием библиотеки NumPy языка Python [12].

Программный комплекс построен по модульному принципу и включает четыре функциональных блока: модуль исходных данных, задающий геометрические и волновые параметры; расчетное ядро, реализующее вычисление поля и интенсивности посредством векторизованных операций библиотеки NumPy, что заменяет циклы по узлам отверстия и по точкам строки наблюдения операциями над двумерными массивами и на порядки ускоряет расчет; модуль анализа, автоматически определяющий координаты максимума интенсивности, ширину пятна по уровню половинной интенсивности, угол дифракционной расходимости и число зон Френеля; модуль визуализации, формирующий двумерные карты интенсивности, радиальные сечения и картины распространения пучка вдоль оптической оси. Функциональная схема взаимодействия модулей комплекса представлена на рис. 3, фрагмент кода вычислительного ядра – на рис. 4.

Для подтверждения корректности разработанной численной схемы и ее программной реализации выполнена серия тестов, результаты которых сведены в табл. 3.

Рис. 3. Функциональная схема взаимодействия модулей программного комплекса Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Рис. 4. Фрагмент кода расчетного ядра Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Таблица 2

Исследование сходимости по шагу сетки (x = 30 мкм)

Шаг сетки

Диаметр пятна по уровню 0,5, мкм

Максимальная интенсивность, отн. ед.

Относительное изменение интенсивности

λ/2 (0,425 мкм)

3,387

0,969

–

λ/5 (0,17 мкм)

3,365

0,989

2,1 %

λ/10 (0,085 мкм)

3,352

1,000

1,1 %

λ/20 (0,0425 мкм)

3,350

1,002

0,21 %

λ/40 (0,02125 мкм)

3,348

1,003

0,11 %

Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования.

Таблица 3

Результаты верификации численной схемы

Тест

Сравниваемый параметр

Значение модели

Эталонное значение

Относительная погрешность

Аналитическое решение (зона Фраунгофера), x = 200 мкм

Диаметр центрального максимума картины

Эйри

52,3 мкм

51,85 мкм (теория: 2,44λx/d₀)

0,9 %

Точное решение на оси, x = 30 мкм

Осевая интенсивность (абс., E₀ = 1)

2,7296

2,7394

0,36 %

Точное решение на оси, x = 100 мкм

Осевая интенсивность (абс., E₀ = 1)

0,3373

0,3391

0,53 %

Кросс-верификация с Matlab, x = 30 мкм

Осевая интенсивность (абс., E₀ = 1)

2,7296

2,7296

< 0,01 %

Кросс-верификация с Matlab, x = 60 мкм

Осевая интенсивность/ полуширина

0,3250 / 6,587 мкм

0,3250 / 6,587 мкм

< 0,01 %

Кросс-верификация с Matlab, x = 100 мкм

Осевая интенсивность/ полуширина

0,1236 / 10,940 мкм

0,1236 / 10,940 мкм

< 0,01 %

Интегрирование в полярных координатах, x = 30 мкм

Полуширина пятна

3,352 мкм

3,348 мкм

0,12 %

Интегрирование в полярных координатах, x = 60 мкм

Осевая интенсивность/ полуширина

0,3250 / 6,587 мкм

0,3254 / 6,578 мкм

0,12 % / 0,14 %

Интегрирование в полярных координатах, x = 100 мкм

Осевая интенсивность/ полуширина

0,1236 / 10,940 мкм

0,1238 / 10,926 мкм

0,16 % / 0,13 %

Измельчение сетки (189 узлов)

Диаметр пятна

(уровень 0,5)

3,352 мкм (95 узлов)

3,350 мкм (189 узлов)

0,07 %

Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования.

1. Сравнение с аналитическим решением: на больших расстояниях x ≫ d02 / λ распределение интенсивности должно соответствовать картине Эйри

(5)

где ρ – радиальная координата в плоскости наблюдения, J1 – функция Бесселя первого рода первого порядка. Поскольку диаметр центрального максимума при x = 200 мкм (около 52 мкм) не помещается в основное расчетное окно 40×40 мкм, для данного теста использовано отдельное окно 120×120 мкм с шагом 0,5 мкм в плоскости наблюдения; положение первого минимума уточнялось параболической интерполяцией по трем соседним узлам. Расхождение с теоретическим значением 2,44λx/d0 = 51,85 мкм не превысило 0,9% (табл. 3). Небольшое систематическое превышение объясняется тем, что при x = 200 мкм условие x ≫ d02 / λ ≈ 75 мкм выполняется лишь приближенно.

2. Кросс-верификация: осевая интенсивность и полуширина пятна в контрольных сечениях x = 30, 60 и 100 мкм, рассчитанные независимой реализацией схемы (3) в среде Matlab, совпали с результатами комплекса до четвертого значащего знака. Точность самой дискретизации дополнительно проверена интегрированием в полярных координатах (квадратура Гаусса – Лежандра, 300×720 узлов), не использующим ступенчатую аппроксимацию границы отверстия; расхождения не превышают 0,2 % (табл. 3).

3. Исследование сходимости: измельчение сетки от λ/2 до λ/40 (табл. 2) показало монотонную сходимость решения с достаточной точностью уже при шаге λ/10.

4. Сравнение с точным решением на оси: для ядра Рэлея – Зоммерфельда первого рода в точной форме осевое поле равномерно освещенного круглого отверстия выражается в замкнутом виде [9]:

Расхождение решения по схеме (3) с шагом λ/10 не превышает 0,53% (табл. 3), а положение осевого максимума (x = 18,8 мкм, n = 1) совпадает с результатом моделирования.

Видно, что при уменьшении шага с λ/10 до λ/20 максимальная интенсивность изменяется на 0,21 %, а диаметр пятна – на 0,07 %; при дальнейшем измельчении до λ/40 изменения уменьшаются примерно вдвое (0,11 и 0,04 %), что подтверждает сходимость схемы и достаточность шага λ/10 для практических расчетов. Интенсивность в таблице нормирована на значение, полученное с шагом λ/10. Сравнение результатов всех проведенных тестов приведено в табл. 3.

Для оценки устойчивости полученных результатов к неизбежным технологическим допускам проведен упрощенный анализ чувствительности. Варьировались основные параметры: диаметр отверстия d0 ±0,5 мкм, длина волны λ ±10 нм, боковое (поперечное) смещение растровой решетки и отводящего волокна ±2 мкм, а также толщина диафрагмы sд. Результаты представлены в табл. 4 (для x = 30 мкм; для ООВ – для x = 70 мкм, середины рекомендуемого диапазона его размещения).

Для бокового смещения растровой решетки в таблице приведена доля мощности пучка, проходящая через полосу пропускания шириной 8 мкм (при центрированной решетке – 0,85). Для бокового смещения ООВ приведена интенсивность в точке, соответствующей смещенному центру торца, относительно осевой в сечении x = 70 мкм; если диаметр сердцевины ООВ значительно превышает размер пятна, собираемый волокном поток при таком смещении практически не изменяется. В силу симметрии задачи результаты для смещений +2 и −2 мкм совпадают. Гауссов профиль освещения задан как

при той же амплитуде E0 в центре отверстия, поэтому снижение интенсивности отражает уменьшение потока, проходящего через отверстие.

Толщина диафрагмы (sд ≈ 5 мкм) учтена в предположении квазинормального падения излучения на отверстие введением дополнительного набега фазы в канале отверстия конечной длины:

δφ(ρ) = ksд

где θi(ρ) ≈ ρ/xкр – оценочный угол падения луча на точку отверстия на расстоянии ρ от оси. При этом допущении неоднородность набега фазы по апертуре при sд = 5 мкм не превышает 1,3·10−3 рад, а варьирование толщины в диапазоне sд = 4–6 мкм изменяет диаметр пятна и максимальную интенсивность менее чем на 0,1 % (табл. 4). Этот результат, как и остальные количественные результаты работы, относится к принятой модели пространственно когерентного освещения, близкого к нормальному. Излучение многомодового ПОВ содержит наклонные компоненты с углами до θNA и является частично когерентным: при заполненной апертуре волокна радиус когерентности в плоскости торца составляет порядка

≈ 2 мкм,

то есть меньше диаметра отверстия. В этом случае дифракционная картина формируется некогерентным наложением наклонных пучков и расширяется по сравнению с рассчитанной, а набег фазы в канале отверстия и частичное виньетирование стенками канала становятся заметными. Учет углового спектра и частичной когерентности излучения ПОВ вынесен в предмет дальнейших исследований.

С использованием созданного программного комплекса проведена серия вычислительных экспериментов для параметров λ = 850 нм, dо = 8 мкм, варьируемое расстояние x = 5–200 мкм. На рис. 5 показан результат моделирования (фрагмент x = 5–120 мкм) распределения интенсивности излучения при прохождении диафрагмы с круглым отверстием.

Таблица 4

Влияние вариаций параметров на диаметр дифракционного пятна и интенсивность

Вариация

Диаметр пятна, мкм

Максимальная интенсивность, отн. ед.

Изменение диаметра, %

Номинальные значения

(d₀ = 8 мкм, λ = 0,85 мкм)

3,35

1,000

–

d₀ = 7,5 мкм

3,56

0,84

+6,1

d₀ = 8,5 мкм

3,17

1,16

−5,4

λ = 0,84 мкм

3,31

1,02

−1,2

λ = 0,86 мкм

3,39

0,98

+1,2

Боковое смещение растровой

решетки ±2 мкм

3,35

0,79 (доля мощности в полосе 8 мкм; номинал 0,85)

0

Боковое смещение ООВ ±2 мкм

(x = 70 мкм)

7,67

0,83 (относительно осевой при x = 70 мкм)

–

Неравномерность освещения

(Гауссов профиль, w = 4 мкм)

3,78

0,41

+12,7

Толщина диафрагмы sд = 4 мкм

3,35

1,000

< 0,1

Толщина диафрагмы sд = 6 мкм

3,35

1,000

< 0,1

Примечание: составлена авторами на основе полученных данных в ходе исследования

Рис. 5. Распределение интенсивности излучения при прохождении диафрагмы с круглым отверстием Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Световой поток после прохождения отверстия диафрагмы достаточно сколлимирован: полный угол дифракционной расходимости по уровню половинной интенсивности составил θ = 6,2° (угол полурасходимости θп = 3,1°), что согласуется с угловым размером центрального максимума картины Эйри по уровню 0,5: 1,03λ/d0 ≈ 6,3°. При x < 19 мкм (число зон Френеля n > 1) наблюдается чередование темных и светлых колец, включая темный центр при x ≈ 9 мкм (n ≈ 2) – эта зона непригодна для размещения решетки. Максимум осевой интенсивности достигается при x ≈ 18,8 мкм (n = 1). Далее формируется единое центральное пятно, интенсивность которого монотонно убывает с расстоянием. Растровую решетку целесообразно располагать в диапазоне x ≈ 20–30 мкм – сразу за областью n > 1, где интенсивность остается высокой, а кольцевая структура отсутствует. В качестве расчетного сечения далее принято x = 30 мкм.

Число зон Френеля рассчитывается как

, (6)

где dо – диаметр отверстия в диафрагме, λ – длина волны, x – расстояние от диафрагмы до растровой решетки.

При x = 30 мкм расчет показал, что количество зон Френеля составляет n = 0,627 (значению n = 1 соответствует x ≈ 18,8 мкм). При n < 1 отверстие не охватывает первую зону полностью, интерференция на его краях не дает существенного гашения или усиления, и наблюдается одно яркое пятно без кольцевой структуры [13].

а б

Рис. 6. Распределение интенсивности в дифракционном пятне после прохождения световым потоком диафрагмы с круглым отверстием: а – сечение на расстоянии x1 = 30 мкм, б – сечение на расстоянии x2 = 100 мкм Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Для оценки размера дифракционного пятна и интенсивности излучения, попадающего на растровую решетку, были получены сечения на расстоянии x1 = 30 мкм и x2 = 100 мкм от диафрагмы, представленные на рис. 6.

В сечении а (x1 = 30 мкм) интенсивность на оси принята за единицу (табл. 1). Распределение неравномерно: диаметр центрального максимума по первым минимумам составляет около 8 мкм, при этом полуширина центральной области высокой интенсивности (уровень 0,5) составляет 3,35 мкм, за пределами которой интенсивность резко падает.

В сечении б (x₂ = 100 мкм) распределение интенсивности более однородно, резкие перепады отсутствуют, однако интенсивность примерно в 8 раз ниже, чем в сечении а, что затрудняет дальнейшее преобразование светового потока. Диаметр пятна по уровню половинной интенсивности составляет около 11 мкм (по первым минимумам – около 26 мкм).

Произведенный расчет, а также результаты моделирования показали, что диаметр дифракционного пятна по уровню 0,5 не превышает ширину зоны пропускания растровой решетки (8 мкм) вплоть до расстояния около 73 мкм; при этом с учетом падения интенсивности рационально располагать растровую решетку на расстоянии не более 60 мкм, так как при большем расстоянии снижается интенсивность излучения и увеличивается диаметр дифракционного пятна, что может привести к ложному срабатыванию счетчиков и внести неточность при дальнейшем расчете перемещения растровой решетки. Этот вывод подтверждается и энергетической оценкой: доля мощности пучка, попадающая в полосу шириной 8 мкм, уменьшается с 0,85 при x = 30 мкм до 0,77 при x = 60 мкм и 0,70 при x = 73 мкм, то есть при большем удалении решетки заметная часть потока попадает на соседние полосы. Для решеток с меньшей шириной полосы допустимое расстояние сокращается: например, при ширине полосы 4 мкм полуширина пятна достигает ее уже при x ≈ 36 мкм, а доля мощности в такой полосе при x = 30 мкм составляет 0,66. Учитывая, что интенсивность излучения в сечении, соответствующем расстоянию x2 = 100 мкм от диафрагмы, очень мала, а низкая интенсивность излучения наблюдается начиная с расстояния от диафрагмы x = 85 мкм, для выбранных параметров модели рациональным является диапазон размещения торца ООВ x = 60–80 мкм от диафрагмы [14]. При выборе положения торца ООВ следует также учитывать общие условия эффективного ввода излучения в волокно – согласование размера пятна и углового спектра излучения с сердцевиной и числовой апертурой волокна [15].

Заключение

Разработана и верифицирована математическая модель дифракции света на круглом отверстии в открытом канале волоконно-оптического растрового преобразователя, основанная на интеграле Рэлея – Зоммерфельда, и реализующий ее модульный программный комплекс на Python (численная схема прямого суммирования с векторизацией вычислений). Комплекс с контролируемой погрешностью рассчитывает распределения интенсивности в ближней зоне, углы расходимости пучка и рациональные зоны размещения элементов преобразователя. Показано, что при числе зон Френеля менее единицы (для принятых параметров – на расстояниях свыше 19 мкм) интерференционные кольца отсутствуют, однако дифракция по-прежнему определяет размер пятна и уровень сигнала. Учет дифракционных эффектов критически важен при проектировании высокоточных растровых преобразователей: он позволяет снизить вклад дифракционных искажений и обосновать выбор геометрии, что создает предпосылки для улучшения их метрологических характеристик. Разработанный инструментарий применим в системах автоматизированного проектирования волоконно-оптических измерительных устройств. Представленные результаты являются предварительными вычислительными рекомендациями; их экспериментальная проверка и учет дополнительных факторов (угловой спектр и частичная когерентность излучения многомодового оптического волокна, качество поверхностей, связь мод в волокне) составят предмет дальнейших исследований.


Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Финансирование
Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования.

Библиографическая ссылка

Гашенко Ю.В., Сусарев С.В. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИФРАКЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ ПРИ МОДУЛЯЦИИ СВЕТОВОГО ПОТОКА В ОТКРЫТОМ ИЗМЕРИТЕЛЬНОМ КАНАЛЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО РАСТРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ // Современные наукоемкие технологии. 2026. № 10. С. 46-55;
URL: https://top-technologies.ru/article/view?id=40964 (дата обращения: 10.11.2026).
DOI: https://doi.org/10.17513/snt.40964