Físicos do MIPT e da Universidade Jean Monnet (França) desenvolveram um novo método de simulação para elementos ópticos usado em muitos instrumentos e dispositivos modernos. Seu papel, apresentar uma descrição do método que permite que dispositivos ópticos complexos sejam projetados em placas gráficas de jogos, foi publicado no Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer .

Alexey Shcherbakov, funcionário do Laboratório de Nanoótica e Plasmônica do Centro de Optoeletrônica em nanoescala do MIPT, e seu colega da Universidade Jean Monnet Alexandre Tishchenko (1958–2016) propôs uma nova abordagem para calcular os parâmetros ópticos de redes de difração complexas e elementos de difração. As possibilidades do método recentemente desenvolvido são significativamente maiores do que aquelas oferecidas por outros métodos amplamente utilizados para uma variedade de estruturas ópticas. Os resultados do estudo abrem novas perspectivas para a otimização altamente eficiente de dispositivos ópticos e optoeletrônicos modernos.

Redes de difração são elementos ópticos que formam a base de muitos dispositivos modernos em espectroscopia, telecomunicações e tecnologias laser. Eles são estruturas periódicas unidimensionais ou bidimensionais contendo milhares de elementos regulares, por exemplo, uma série de tiras paralelas de largura microscópica. As grades de difração são capazes de dividir a luz branca em um espectro, refletindo raios de diferentes comprimentos de onda em diferentes direções - é por isso que eles são usados ​​em praticamente todos os espectrômetros.

Um bom exemplo de rede de difração é um disco compacto comum. Se for iluminado com luz de frequência fixa, um apontador laser vermelho, por exemplo, em vez de um único feixe refletido, um conjunto de feixes refletidos aparece. Estes são chamados de ordens de difração. As direções nas quais esses feixes se propagam são fixas e dependem do período de grade (definido como a distância entre os elementos adjacentes), o ângulo de incidência, e a frequência de radiação. Calculando a intensidade de cada ordem de difração, ou seja, a quantidade de energia de luz incidente que é refletida em cada direção, é muito mais difícil. Executar esses tipos de cálculos com alta precisão é extremamente importante do ponto de vista prático, uma vez que são vitais para a otimização de uma ampla variedade de instrumentos e dispositivos.

A capacidade das grades de difração de dividir a luz em um espectro é usada em espectrômetros - dispositivos que usam a análise de espectro para determinar a composição de várias substâncias, incluindo soluções químicas e gases interestelares. A simulação de difração é essencial para a fabricação de máscaras de litografia usadas na fabricação microeletrônica moderna, e para projetar polarizadores especiais em tecnologia de processamento de metal a laser. Além disso, estruturas periódicas são usadas para aumentar a eficiência de concentradores solares e células fotovoltaicas, aumentando a absorção de luz. Estruturas periódicas também dificultam a falsificação de documentos e dinheiro - um padrão de finas tiras metálicas no papel que refletem a luz de uma certa maneira pode atuar como uma contramedida de falsificação.

Um cálculo rigoroso da eficiência da ordem de difração só é possível resolvendo as equações de Maxwell - equações fundamentais que descrevem o campo eletromagnético e, em particular, propagação de ondas eletromagnéticas. Eles foram formulados há mais de cem anos, mas uma grande variedade de soluções que essas equações admitem em diferentes casos ainda motiva muitos cientistas em todo o mundo a continuar a buscar novas soluções. E a descrição de redes de difração óptica complexas usando as equações de Maxwell só é possível com a ajuda de métodos numéricos.

Isso significa que, em vez de uma fórmula pronta para uso, um algoritmo de precisão finita deve ser implementado. Para analisar e otimizar redes de difração complexas, os pesquisadores usam computadores modernos e grupos de computadores. Todo um campo da ciência combinando física matemática, análise numérica, programação, e outras áreas se dedica a explorar como escrever programas de computador e realizar esses cálculos da maneira mais eficiente. O desenvolvimento deste campo está sendo estimulado por avanços nas tecnologias de fabricação de estruturas de difração. Dispositivos mais precisos apresentam requisitos cada vez mais altos para métodos de simulação no nível de projeto.

Em sua publicação, os pesquisadores desenvolveram o Método de Fonte Generalizada (GSM), reduziu significativamente o consumo de recursos de computação em comparação com outros métodos. A ideia é baseada em fontes hipotéticas de radiação eletromagnética que substituem a não homogeneidade estrutural.

De acordo com Alexey Shcherbakov, pesquisador sênior do Laboratório de Nanoótica, esta ideia pode, com certas limitações, será ilustrado da seguinte forma:"Suponhamos que atiramos pedras no centro de uma lagoa circular. As ondas geradas pelas pedras serão circulares e se espalharão do centro da lagoa até a beira da água. Agora, vamos nos perguntar:que forma terão as ondas se um barco estiver flutuando em algum lugar na lagoa? Acontece que se removermos o barco e jogarmos muitas pedras pequenas no local onde ele estava flutuando, essas pequenas pedras podem ser escolhidas de forma que o número total de ondas geradas por elas e a pedra que jogamos no centro sejam as mesmas como se o barco ainda estivesse flutuando na lagoa. Esta substituição hipotética pode parecer complicar a tarefa, mas, na prática, este princípio permite aos cientistas resolver com eficiência problemas muito complexos de propagação de ondas. "

A ideia principal do novo método baseado no GSM era usar transformações de coordenadas curvilíneas na região da grade. Dentro da lógica do método, uma superfície de grade áspera é esticada até um plano, o que torna muito simples calcular a reflexão e a refração das ondas. Preservar os efeitos físicos causados ​​pela aspereza requer a alteração simultânea das propriedades do ambiente próximo à superfície de uma certa maneira após esse alongamento. Assim, em vez de ser refletido na superfície da grade ondulada, ondas parecem passar por um espaço não homogêneo, o que retarda sua propagação de forma diferente em locais diferentes. Esta técnica melhora significativamente os cálculos, obtendo resultados muito mais precisos no mesmo tempo de cálculo.

Além do desenvolvimento analítico da nova abordagem com fontes métricas, os pesquisadores também demonstraram a possibilidade de paralelização eficiente do método e realização de simulações em placas gráficas. Isso significa que é possível usar componentes produzidos comercialmente com os quais todos os jogadores estão familiarizados para simular redes de difração muito complexas. O poder de computação dos chips gráficos já é maior do que o poder dos processadores, É por isso que as placas gráficas são usadas em muitos laboratórios em todo o mundo. Na pesquisa publicada, comparar simulações em placas gráficas e processadores comuns mostrou que um chip gráfico é capaz de realizar a tarefa dezenas de vezes mais rápido.