Единый портал инновационной деятельности Самарской области
АНКЕТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Формирование световых полей со сложной пространственной и поляризационной структурой и разработка новых методов обработки информации на основе оптики спиральных пучков

векторные электромагнитные поля; неоднородная поляризация; оптика гауссовых пучков; астигматическое преобразование

Рубрикатор ВИНИТИ

291, Физика

Наименование базовой организации

Самарский филиал федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук
Количество организаций: 1

Научный руководитель

Волостников Владимир Геннадиевич
доктор физико-математических наук
профессор
Число монографий: 1
Число учебно-методических изданий: 0
Число научных работ в зарубежных издательствах: 52
Число статей в журналах ВАК: 48
Число патентов: 0

Формирование световых полей со сложной пространственной и поляризационной структурой и разработка новых методов обработки информации на основе оптики спиральных пучков

Критические технологии

  • Нано-, био-, информационные, когнитивные технологии.

Длительность проведения исследования

более 5 лет

Аннотационное описание сущности

Исследование направлено на разработку принципиально новых методов когерентных световых полей с заданной сложной пространственной структурой. Данная проблема является весьма актуальной для целого ряда задач, например, лазерных технологий, микроманипулирования, когерентной спектроскопии и т.п. Обнаруженные ранее авторами проекта закономерности преобразования лазерных пучков (пучков Эрмита- Гаусса и Лагерра –Гаусса), а также разработанная авторами оптика спиральных пучков (то есть световых полей, сохраняющих свою структуру при распространении с точностью до масштаба и поворота) дают качественно новые возможности управления структурой светового поля. Кроме того, ряд результатов по оптике спиральных пучков создает основу для нового эффективного анализа контурных изображений. Это является ключевой проблемой для машинного зрения, чтения текстов и ряда других приложений. Следует в заключение заметить, что полученные результаты являются фундаментальными, их нельзя отменить, можно только дополнить и развить.

Научная новизна исследования

В 1991 году авторами проекта было впервые доказано теоретически и продемонстрировано экспериментально, что астигматическое преобразование позволяет трансформировать семейство пучков Эрмита-Гаусса в семейство пучков Лагерра-Гаусса. Астигматическое преобразование в данном случае имело вид преобразования Фурье с дополнительным чисто фазовым множителем квадратичного вида. Этот результат позволил в дальнейшем построить теорию мод Эрмита-Лагерра-Гаусса и спиральных пучков света [Е.Г.Абрамочкин, В.Г.Волостников //Современная теория гауссовых пучков. М.: Физматлит, 2010, 184 с.], которая является развитием теории гауссовых пучков [А.М.Гончаренко // Гауссовы пучки света. Минск: Наука и техника, 1977, 144 с.].
В проекте предлагается новый подход к формированию пучков с неоднородным распределением поляризации посредством интерференционного сложения пучков с противоположными знаками топологических зарядов, причём реализация этих пучков осуществляется одним дифракционным оптическим элементом посредством астигматического преобразования исходного пучка Эрмита-Гаусса в два пространственно разделённых пучка Лагерра-Гаусса.
В работах [Б.А.Дубровин, С.П.Новиков. Основные состояния двумерного электрона в периодическом магнитном поле // ЖЭТФ. 1980. Т.79. С.1006-1016; В.А. Гейлер. Двумерный оператор Шредингера с однородным магнитным полем и его возмущения периодическими потенциалами нулевого радиуса.// Алгебра и анализ. 1991. Т.3. Вып.3. С. 2-48.] показано, что основное состояние квантово-механической заряженной частицы в однородном магнитном поле в симметричной калибровке вектор-потенциала является бесконечно вырожденным и представимо в виде целой аналитической функции, умноженной на гауссову. С другой стороны, авторами проекта ранее найдено [E.Abramochkin and V.Volostnikov. Spiral-type beams: optical and quantum aspects // Optics Comm., 1996, v.125, pp.302-323], что такое представление позволяет построить спиральный пучок в форме произвольной плоской кривой, в том числе замкнутой. В этой статье также получено условие, при котором распределения комплексной амплитуды таких пучков не зависят от начальной точки на контуре, причём это условие связывает площадь под контуром и весовую функцию некоторым условием квантования, что даёт принципиально новые возможности, как для описания контурных изображений, так и для их распознавания.

Опубликованные результаты научного исследования

1.	Abramochkin E.G., Razueva E.V. The product of three Airy beams // Optics Letters. - 2011. - V.36, Iss.19. - P.3732-3734. doi: 10.1364/OL.36.003732
2.	Abramochkin E., Razueva E., and Volostnikov V. General astigmatic transform of Hermite-Laguerre-Gaussian beams. // JOSA A. - 2010. - V.27, N.11. - P.2506-2513.
3.	Волостников В.Г. Современная оптика гауссовых пучков //Успехи физических наук, 2012, т.182, №4, стр. 443-450
4.	Abramochkin E.G., Volostnikov V.G. Generalized Hermite-Laguerre-Gauss beams. // Physics of Wave Phenomena. - 2010. - V.14, N.1. - P.14-22.
5.	V.G. Volostnikov, E.N. Vorontsov and S.P. Kotova. Vector beam synthesis by means of astigmatic conversion//Journal of Optics. 2013, v 15, No 4, 044029.
6.	Абрамочкин Е.Г., Волостников В.Г. Современная оптика гауссовых пучков. М.: Физматлит, 2010. - 184c.
7.	Abramochkin E., Alieva T., Rodrigo J.A. Solutions of paraxial equations and families of Gaussian beams (pp. 143-192), In book: Mathematical optics: classical, quantum, and computational methods(eds. V. Lakshminarayanan, M.L. Calvo, T. Alieva), CRC Press, 2012. - 624 p. ISBN: 978-1-43-986960-4

Сведения о наиболее близких исследованиях

В настоящее время известные методы формирования пучков со сложной структурой в оптическом диапазоне имеют эффективность порядка 50-60 % [A.V. Nesterov, V.G. Niziev, V.P. Yakunin // Appl. Opt., 1990, v. 29, № 15, p. 2234–2239; C. Maurer, A. Jesacher, S. Furhapter, S. Bernet, M. Ritsch-Marte // New Journal of Physics, 2007, v. 9 (78), p. 1-20]. Это обусловлено тем, что используются отражательные дифракционные элементы (как следствие – применение светоделительных кубических призм, дающих сильное поглощение). Кроме того, полученные поля не являются модами свободного пространства и не сохраняют свою структуру при распространении и фокусировке. Использование оригинальных результатов авторов проекта позволит реализовать моды свободного пространства при эффективности ~70-80% при существенно меньшей стоимости устройства.
Формирование световых полей с распределением интенсивности в форме заданных областей является одной из актуальных задач дифракционной оптики. Наиболее переспективным способом их формирования является применение дифракционных фазовых элементов [ В.А. Сойфер / Методы компьютерной оптики // Физматлит, 2003, 688 с.].
Пространственная структура световых полей играет важную роль во многих задачах лазерных технологий, оптической диагностики, обработки информации. Среди прочих интерес представляют световые поля, связанные с функциями Эйри и Пирси. Функции Эйри как решения параболического уравнения впервые были найдены теоретически в 1979 году [M.V.Berry, N.L.Balazs. Nonspreading wave packets / Am. J. Phys., 1979, v.47, pp.264-267], однако не получили широкой известности и использования в оптике, поскольку обладали бесконечной энергией (т.н. nondiffracting beams). В 2007 году было найдено другое решение, состоящее из произведения функции Эйри и экспоненциальной функции [G.A.Siviloglou, D.N.Christodoulides. Accelerating finite energy Airy beams / Opt. Lett., 2007, v.32, pp.979-981], которое, во-первых, обладает конечной энергией, а во-вторых, является функционально устойчивым решением, т.е. при эволюции в зоне Френеля сохраняет вид произведения экспоненциальной функции на функцию Эйри, хотя при этом аргумент функции Эйри (первоначально вещественный) становится комплексным. После этой публикации началось интенсивное изучение теоретических и прикладных аспектов пучков Эйри. Были исследованы двумерные пучки Эйри-Гаусса [G.A.Siviloglou, J.Broky, A.Dogariu, and D.N.Christodoulides. Observation of accelerating Airy beams / Phys. Rev. Lett., 2007, v.99, 213901], их распространение в оптических ABCD системах первого порядка с 2×2 матрицей [M.A.Bandres, J.C.Gutierrez-Vega. Airy-Gauss beams and their transformation by paraxial optical systems / Opt. Express, 2007, v.15, N 25, pp.16719-16728], их обобщение (параболические пучки) [M.A.Bandres. Accelerating parabolic beams / Opt. Letters, 2008, v.33, N 15, pp.1678-1680], сравнение с солитонными решениями [J.Broky, G.A.Siviloglou, A.Dogariu, and D.N.Christodoulides. Self-healing properties of optical Airy beams / Opt. Express, 2008, v.16, N 17, pp.12880-12891].

Планируемые результаты и практическая значимость

•	Построение полной системы волновых функций стационарного уравнения Шредингера для частицы в однородном магнитном поле для описания комплексных амплитуд спиральных пучков. Исследование условий формирования спиральных пучков, порождаемых произвольными плоскими кривыми.
•	Аналитическое и численное исследование световых полей, связанных с пучками Эйри и Пирси (интегральные преобразования, эволюция в зоне Френеля). Преобразование полученных полей с конечной энергией в оптических системах первого порядка. Исследование таких полей под действием преобразования Фурье с дополнительной чисто фазовой экспонентой с полиномиальным показателем 3-й и 4-й степени. Предполагается получить семейство световых полей на основе функции Эйри, которое обладает радиальной симметрией, но существенно нерадиальной фазой и слабо меняется при распространении в зоне Френеля.
•	Формирование световых полей со сложной поляризационной структурой.
•	Сравнительный анализ существующих методов обработки с предлагаемым новым и выбор оптимальных условий аналитического описания контурных объектов. Разработка программного обеспечения и проведение численных экспериментов по распознаванию и хранению контурных изображений на основе новых методов их исследования.
Планируемые результаты позволят построить пучки, которые при фокусировке формируют световое поле с плоским (flat-top) распределением интенсивности круговой формы и кубическим убыванием. Такие пучки могут оказаться полезны для манипуляций микрочастицами в биологии [J.Baumgartl, M.Mazilu, K.Dholakia. Optically mediated particle clearing using Airy wavepackets / Nature Photonics, 2008, November, pp.675-678]. Будет разработан и экспериментально реализован новый эффективный метод формирования световых полей со сложной поляризационной структурой. Поля такого вида оказываются практически значимыми для задач лазерных технологий (резки) и для задач оптической микроманипуляции.
Будет создан новый метод, разработано программное обеспечение и проведены численные эксперименты для распознавания и хранения контурных изображений на основе оптики спиральных пучков.

Форма передачи и организация внедрения результатов исследования


										

Финансирование работ со стороны федеральных целевых программ

ФЦП: Научные и научно-педагогические кадры инновационной России

Наименование заключенного государственного контракта: Управление пространственной структурой оптических полей и их взаимодействие с микрообъектами, наночастицами и атомными системами (ГК № 14.740.11.0063)

Год начала исполнения государственного контракта: 2010

Год окончания исполнения государственного контракта: 2012

Объем финансирования по государственному контракту: 5200000

Степень участия: соисполнитель

ФЦП: Научные и научно-педагогические кадры инновационной России

Наименование заключенного государственного контракта: Разработка новых методов синтеза и анализа световых полей на основе современной оптики гауссовых пучков (ГК № П1135 от 27.08.2009)

Год начала исполнения государственного контракта: 2009

Год окончания исполнения государственного контракта: 2011

Объем финансирования по государственному контракту: 4200000

Степень участия: головной исполнитель

Финансирование работ в рамках Постановление Правительства России от 9 апреля 2010 г. N 218

Нет

Финансирование работ в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований

Наименование гранта: Манипуляция микрообъектами лазерными пучками с ненулевым угловым моментом (04-02-96508-р2004поволжье_а)

Год начала исполнения: 2004

Год окончания исполнения: 2006

Объем финансирования: 290000

Степень участия: головной исполнитель

Наименование гранта: Спиральные пучки для исследования механических свойств биологических объектов (№07-02-01280-а)

Год начала исполнения: 2007

Год окончания исполнения: 2008

Объем финансирования: 900000

Степень участия: головной исполнитель

Наименование гранта: Синтез когерентных световых полей на основе оптики спиральных пучков для лазерного манипулирования (№07-02-12221-офи)

Год начала исполнения: 2007

Год окончания исполнения: 2008

Объем финансирования: 1600000

Степень участия: головной исполнитель

Наименование гранта: Формирование и анализ световых полей с фазовыми сингулярностями (№ 07-02-96614-р_поволжье_а)

Год начала исполнения: 2007

Год окончания исполнения: 2009

Объем финансирования: 300000

Степень участия: головной исполнитель

Наименование гранта: Использование оптического пинцета для ранней диагностики функционального состояния организма (№ 09-02-13596-офи-ц)

Год начала исполнения: 2009

Год окончания исполнения: 2010

Объем финансирования: 1200000

Степень участия: головной исполнитель

Финансирование работ по контрактам, договорам, грантам, не указанных (ФЦП, 218, РФФИ)

Нет

Связи по совместному развитию

МГУ; ИСОИ РАН; Институт физики НАН Украины

Потребности по привлечению компетенций

Нет

Общее кол-во научных работников

9

Количество научных работников имеющих степень доктора наук

2

Количество научных работников имеющих степень кандидата наук

5

Общее количество вспомогательного и обслуживающего персонала

2

Наименование темы и номер гранта ведущей научной школы РФ

5 специалистов. Специализации: оптика, вычислительная техника, численные методы

Потребность в научных работниках в ближайшие 3 года и их специализация

5 специалистов. Специализации: оптика, вычислительная техника, численные методы

Потребность во вспомогательном и обслуживающем персонале в ближайшие 3 года

3

Общее количество единиц научного и лабораторного оборудования, используемого в исследовании

35

Наиболее значимое научное и лабораторное оборудование

•	Лазерные источники (аргоновый лазер ЛГН 503, гелий-неоновый лазер ГН-5П, волоконный лазер «ИТЛАРЬ», малогабаритный твердотельный лазер типа DPSSL 500)
•	Оптические микроскопы
•	Две оптические установки типа СИН с дополнительной оснасткой 
•	Оптическая скамья ОСК-2ЦЛ
•	Поляризационные оптические элементы (четвертьволновые и полуволновые поляризационные пластины, призмы Волластона
•	Набор оптических элементов (зеркала, цилиндрические линзы, светоделители)
•	пространственный жидкокристаллический лазерный модулятор света HEO 1080P

Количество средств вычислительной техники

10

Потребность в научном и лабораторном оборудовании с учетом прогноза развития исследования в ближайшие 3 года и плановой замены имеющегося оборудования

- ПЗС камера высокого разрешения с системой оцифровки изображения для анализа структуры светового поля 
- Оптические элементы: четвертьволновые пластинки (0,488 мкм, 0,8 мкм), поляризаторы, микрообъективы для сборки оптических схем
- фазовые поляризационные пластинки
- дифракционные оптические элементы

Текущая потребность в средствах вычислительной техники

Нет

Используемое специализированное лицензионное программное обеспечение

Текущая потребность в специализированном лицензионном программном обеспечении

Оценочная стоимость необходимого научного и лабораторного оборудования, средств вычислительной техники и программного обеспечения

Не указана