Des physiciens du MIPT et de l'Université Jean Monnet (France) ont développé une nouvelle méthode de simulation pour les éléments optiques utilisés dans de nombreux instruments et dispositifs modernes. Leur papier, présenter une description du procédé permettant de concevoir des dispositifs optiques complexes sur des cartes graphiques de jeu, a été publié dans le Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer .

Alexey Shcherbakov, un employé du laboratoire de nanooptique et plasmonique du centre d'optoélectronique nanométrique du MIPT, et son collègue de l'Université Jean Monnet Alexandre Tishchenko (1958-2016) ont proposé une nouvelle approche pour calculer les paramètres optiques des réseaux de diffraction complexes et des éléments diffractifs. Les possibilités de la méthode nouvellement développée sont considérablement plus grandes que celles offertes par d'autres méthodes largement utilisées pour une variété de structures optiques. Les résultats de l'étude ouvrent de nouvelles perspectives pour l'optimisation hautement efficace des dispositifs optiques et optoélectroniques modernes.

Les réseaux de diffraction sont des éléments optiques qui constituent la base de nombreux appareils modernes en spectroscopie, télécommunications et technologies laser. Ce sont des structures périodiques à une ou deux dimensions contenant des milliers d'éléments réguliers, par exemple, une série de bandes parallèles de largeur microscopique. Les réseaux de diffraction sont capables de diviser la lumière blanche en un spectre, réfléchissant les rayons de différentes longueurs d'onde dans différentes directions - c'est pourquoi ils sont utilisés dans pratiquement tous les spectromètres.

Un bon exemple de réseau de diffraction est un disque compact ordinaire. S'il est éclairé par une lumière d'une fréquence fixe un pointeur laser rouge par exemple, au lieu d'un seul faisceau réfléchi, un ensemble de faisceaux réfléchis apparaît. Ceux-ci sont appelés ordres de diffraction. Les directions dans lesquelles ces faisceaux se propagent sont fixes et dépendent de la période du réseau (définie comme la distance entre éléments adjacents), l'angle d'incidence, et la fréquence de rayonnement. Calcul de l'intensité de chaque ordre de diffraction, c'est à dire., la quantité de puissance lumineuse incidente qui est réfléchie dans chaque direction, est bien plus difficile. Effectuer ces types de calculs avec une grande précision est extrêmement important d'un point de vue pratique, car ils sont vitaux pour l'optimisation d'une grande variété d'instruments et de dispositifs.

La capacité des réseaux de diffraction à diviser la lumière en un spectre est utilisée dans les spectromètres, des appareils qui utilisent l'analyse spectrale pour déterminer la composition de diverses substances, notamment des solutions chimiques et des gaz interstellaires. La simulation de diffraction est essentielle pour la fabrication de masques de lithographie utilisés dans la fabrication microélectronique moderne, et pour la conception de polariseurs spéciaux dans la technologie de traitement des métaux au laser. En outre, des structures périodiques sont utilisées pour augmenter l'efficacité des concentrateurs solaires et des cellules photovoltaïques en augmentant l'absorption de la lumière. Les structures périodiques rendent également plus difficile la falsification de documents et d'argent - un motif de fines bandes métalliques sur du papier qui réfléchissent la lumière d'une certaine manière peut servir de contre-mesure à la contrefaçon.

Un calcul rigoureux de l'efficacité de l'ordre de diffraction n'est possible qu'en résolvant les équations de Maxwell - équations fondamentales qui décrivent le champ électromagnétique et, en particulier, propagation des ondes électromagnétiques. Ils ont été formulés il y a plus de cent ans, mais une grande variété de solutions que ces équations admettent dans différents cas motive encore de nombreux scientifiques du monde entier à continuer à chercher de nouvelles solutions. Et décrire des réseaux de diffraction optique complexes à l'aide des équations de Maxwell n'est possible qu'à l'aide de méthodes numériques.

Cela signifie qu'au lieu d'une formule prête à l'emploi, un algorithme de précision finie doit être implémenté. Pour analyser et optimiser des réseaux de diffraction complexes, les chercheurs utilisent des ordinateurs modernes et des grappes d'ordinateurs. Tout un domaine scientifique alliant la physique mathématique, analyse numérique, la programmation, et d'autres domaines sont consacrés à l'exploration de la manière d'écrire des programmes informatiques et d'effectuer ces calculs de la manière la plus efficace. Le développement de ce domaine est stimulé par les progrès des technologies de fabrication des structures de diffraction. Des dispositifs plus précis posent des exigences de plus en plus élevées aux méthodes de simulation au niveau de la conception.

Dans leur publication, les chercheurs ont développé la méthode de source généralisée (GSM), réduit considérablement la consommation de ressources informatiques par rapport aux autres méthodes. L'idée est basée sur des sources hypothétiques de rayonnement électromagnétique qui remplacent l'inhomogénéité structurelle.

Selon Alexey Shcherbakov, un chercheur senior du Laboratoire de Nanooptique, cette idée peut, avec certaines limites, s'illustre comme suit :« Supposons que nous lancions des pierres au centre d'un étang circulaire. Les vagues générées par les pierres seront circulaires et s'étendront du centre de l'étang jusqu'au bord de l'eau. Maintenant, demandons-nous, quelle forme auront les vagues si un bateau flotte quelque part dans l'étang ? Il s'avère que si on enlève le bateau et qu'on jette plein de petites pierres à l'endroit où il flottait, ces petites pierres peuvent être choisies de manière à ce que le nombre total de vagues générées par elles et la pierre que l'on jette au centre soit le même que si le bateau flottait encore dans l'étang. Cette substitution hypothétique peut sembler compliquer la tâche, mais, en pratique, ce principe permet aux scientifiques de résoudre efficacement des problèmes très complexes de propagation des ondes."

L'idée clé de la nouvelle méthode basée sur le GSM était d'utiliser des transformations de coordonnées curvilignes dans la région du réseau. Dans la logique de la méthode, une surface de grille rugueuse est étirée jusqu'à un plan, ce qui rend très simple le calcul de la réflexion et de la réfraction des ondes. Préserver les effets physiques provoqués par la rugosité nécessite de modifier simultanément les propriétés de l'environnement proche de la surface d'une certaine manière lors d'un tel étirement. Ainsi, au lieu d'être réfléchi sur la surface de la grille ondulée, les ondes semblent traverser un espace inhomogène, ce qui ralentit leur propagation différemment selon les endroits. Cette technique améliore considérablement les calculs et obtient des résultats beaucoup plus précis dans le même temps de calcul.

En plus du développement analytique de la nouvelle approche avec des sources métriques, les chercheurs ont également démontré la possibilité d'une parallélisation efficace de la méthode et d'effectuer des simulations sur des cartes graphiques. Cela signifie qu'il est possible d'utiliser des composants produits dans le commerce avec lesquels tous les joueurs sont familiers pour simuler des réseaux de diffraction très complexes. La puissance de calcul des puces graphiques est déjà supérieure à la puissance des processeurs, c'est pourquoi les cartes graphiques sont utilisées dans de nombreux laboratoires à travers le monde. Dans la recherche publiée, la comparaison de simulations sur des cartes graphiques et des processeurs ordinaires a montré qu'une puce graphique est capable d'effectuer la tâche des dizaines de fois plus rapidement.