Моделирование рефракционных изображений при распространении лазерных пучков в оптически неоднородных жидких средах

Авторы

  • Ведяшкина А.В. АО "Особое конструкторское бюро Московского энергетического института", Москва, Russian Federation ORCID 0000-0002-2670-7712
  • Павлов И.Н. Национальный исследовательский университет "МЭИ", Москва, Russian Federation ORCID 0000-0002-9014-6294
  • Расковская И.Л. Национальный исследовательский университет "МЭИ", Москва, Russian Federation ORCID 0000-0002-1231-9479

УДК

535.31:51-7

DOI:

https://doi.org/10.31429/vestnik-20-1-52-64

Аннотация

Обоснована актуальность исследования и сформулированы проблемы, возникающие при разработке математических моделей распространения волновых пучков в условиях сильной рефракции. Предложены модели пучков, формируемых на основе дифракционных оптических элементов. Представлены результаты моделирования прямотеневых рефракционных изображений для лазерных пучков различных типов при распространении их в стратифицированной жидкой среде в отсутствие и при наличии каустик.

Ключевые слова:

оптически неоднородные жидкие среды, лазерные пучки, рефракция, математические модели распространения оптического излучения, лазерная диагностика жидких сред

Финансирование

Исследование не имело спонсорской поддержки.

Информация об авторах

Анастасия Вячеславовна Ведяшкина

научный сотрудник АО "Особое конструкторское бюро Московского энергетического института"

e-mail: an.vedyashkina@gmail.com

Илья Николаевич Павлов

канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры физики им. В.А. Фабриканта Национального исследовательского университета "МЭИ"

e-mail: inpavlov@bk.ru

Ирина Львовна Расковская

д-р. техн. наук, доцент, доцент кафедры физики им. В.А. Фабриканта Национального исследовательского университета "МЭИ"

e-mail: raskovskail@mail.ru

Библиографические ссылки

  1. Базылев, Н.Б., Фомин Н.А., Количественная визуализация течений, основанная на спекл-технологиях. Беларус. навука, Минск, 2016. [Bazylev, N.B., Fomin, N.A., Kolichestvennaya vizualizatsiya techeniy, osnovannaya na spekl-tekhnologiyakh = Quantitative visualization of flows based on speckle technologies. Belaruskaya Navuka, Minsk, 2016. (in Russian)]
  2. Дубнищев, Ю.Н., Белоусов, П.П., Белоусов, П.Я., Арбузов, В.А., Оптические методы исследования потоков. Сибирское университетское издательство, Новосибирск, 2003. [Dubnishchev, Yu.N., Belousov, P.P., Belousov, P.Ya., Arbuzov, V.A., Opticheskie metody issledovaniya potokov = Optical methods of flow investigation. Siberian University Publishing House, Novosibirsk, 2003. (in Russian)]
  3. Левин, И.М., Перспективные направления развития оптических дистанционных методов исследования океана. В сб. Фундаментальная и прикладная гидрофизика, № 1, 2008, с. 14–47. [Levin, I.M., Promising Directions for the Development of Optical Remote Techniques for Ocean Research. In: Fundamentalnaya i prikladnaya gidrofizika = Fundamental and applied hydrophysics, no. 1, 2008, pp. 14–47. (in Russian)] EDN: KNPJCF
  4. Долина, И.С., Родионов, М.А., Левин, И.М., Восстановление характеристик гидрофизических полей в море из результатов гидрооптических измерений. Морской вестник, 2010, № 4, c. 62–64. [Dolina, I.S., Rodionov, M.A., Levin, I.M., Reconstruction of the characteristics of hydrophysical fields in the sea from the results of hydrooptical measurements. Morskoy vestnik = Marine Bull., 2010, no. 4, pp. 62–64. (in Russian)] EDN: MXSISP
  5. Dolina, I.S., Dolin, L.S., Levin, I.M., Rodionov, V.A., Savel’ev, V.A., Inverse problems of lidar sensing of the ocean. Current research on remote sensing, laser probing and imagery in natural water. In: SPIE Proc., 2007, vol. 6615, pp. 66150C-1–66150C-10.
  6. Dolin, L.S., Levin, I.M., Underwater optics. In: The Optics Encyclopedia. Weinheim, Wiley-VCH Publ., 2004, vol. 5, pp. 3237–3271.
  7. Расковская, И.Л., Ринкевичюс, Б.С., Толкачев, А.В., Диагностика конвективных процессов в пограничном слое жидкости методом лазерной рефрактографии. Инженерно-физический журнал, 2010, т. 83, № 6, c. 1149–1156. [Raskovskaya, I.L., Rinkevichyus, B.S., Tolkachev, A.V., Diagnostics of convective processes in the boundary layer of a liquid by the laser-refractography method. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2010, vol. 83, no. 6, pp. 1218–1226]. EDN: NXXWRL DOI: 10.1007/s10891-010-0444-x
  8. Znamenskaya, I., Koroteeva, E., Shagiyanova, A., Thermographic analysis of turbulent non-isothermal water boundary layer. J. of Flow Visualization and Image Processing, 2019, vol. 26, pp. 49–56. DOI: 10.1615/JFlowVisImageProc.2018018925
  9. Знаменская, И.А., Нерсесян, Д.А., Сысоев, Н.Н., Коротеева, Е.Ю., Ширшов, Я.Н., Оптические исследования динамики развития водяной струи высокого давления. Вестник Московского университета. Серия 3: Физика, астрономия, 2016, № 4, с. 68–75. EDN: XWTUUF [Znamenskaya, I.A., Nersesyan, D.A., Sysoev, N.N., Koroteeva, E.Yu., Shirshov, Ya.N., An optical study of high-pressure water-jet dynamics. Moscow University Physics Bulletin, 2016, vol. 71, iss. 4, pp. 405–412. DOI: 10.3103/S0027134916040184]
  10. Цеханович, А.И., Петросян, С.А., Цысарь, С.А., Сапожников, О.А., Шлирен-система для исследования структуры ультразвуковых полей в жидкости. Ученые записки физического факультета московского университета, 2020, № 5, с. 2050802-1–2050802-2. [Tsekhanovich, A.I., Petrosyan, S.A., Tsysar, S.A., Sapozhnikov, O.A., Schlieren setup for studying the structure of ultrasound fields in liquids. Memoirs of the Faculty of Physics, 2020, no. 5, pp. 2050802-1–2050802-2. (in Russian)] EDN: AXKHSR
  11. Крайский, А.В., Миронова, Т.В., Сравнение результатов рефрактометрических измерений в процессе диффузии, полученных корреляционным фоновым методом и методом голографической интерферометрии с нестационарной опорной волной. Квантовая электроника, 2015, т. 45, № 8, c. 759–764. EDN: UGUZPN [Kraiskii, A.V., Mironova, T.V., Comparison of the results of refractometric measurements in the process of diffusion, obtained by means of the backgroundoriented schlieren method and the holographic interferometry method. Quantum Electronics, 2015, vol. 45, iss. 8, pp. 759–764. DOI: 10.1070/QE2015v045n08ABEH015208]
  12. Chashechkin, Y.D., Mitkin, V.V., Experimental study of a fine structure of 2D waves and mixing past an obstacle in a continuously stratified fluid. Dynamics of Atmospheres and Oceans, 2001, vol. 34, pp. 165–187. DOI: 10.1016/S0377-0265(01)00066-5
  13. Осадчий, В.Ю., Левин, И.М., Савченко, В.В., Французов, О.Н., Лабораторно-модельная установка для исследования переноса излучения и изображения через взволнованную водную поверхность. Океанология, 2004, т. 44, № 1, с. 154–159. [Osadchy V.Yu., Levin I.M., Savchenko, V.V., Frantsuzov, O.N., A laboratory modeling facility for the study of radiation and image transfer through an agitated water surface. Oceanology, 2004, vol. 4, no. 1, pp. 143–147.] EDN: OWJSVP
  14. Moisy, F., Rabaud, M., Salsac, K., A synthetic Schlieren method for the measurement of the topography of a liquid interface. Experiments in Fluids, 2009, vol. 46, iss. 6, pp. 1021–1036. DOI: 10.1007/s00348-008-0608-z
  15. Dalziel, S., Carr, M., Sveen, J.K., Davies, P.A., Simultaneous synthetic schlieren and PIV measurements for internal solitary waves. Measurement Science and Technology, 2007, vol. 18, no. 3, pp. 533–547. DOI: 10.1088/0957-0233/18/3/001
  16. Лейкин, М.В., Молочников, Б.И., Морозов, В.Н., Шакарян, Э.С., Отражательная рефрактометрия. Ленинград, Машиностроение, 1983. [Leikin, M.V., Molochnikov, B.I., Morozov, V.N., Shakaryan, E.S., Otrazhatel'naya refraktometriya = Reflecting Refractometry. Leningrad, Mashinostroenie, 1983. (in Russian)]
  17. Settles, G.S., Schlieren and shadowgraph techniques: visualizing phenomena in transparent media. Springer, New York, 2001.
  18. Tropea, C., Yarin, A.L., Foss, J.F., Springer handbook of experimental fluid mechanics. Springer, Berlin, 2007.
  19. Белозеров, А.Ф., Оптические методы визуализации газовых потоков. Издательство Казанского гос. техн. ун-та, Казань, 2007. [Belozerov, A.F., Opticheskie metody vizualizatsii gazovyh potokov = Optical methods of visualization of gas flows. Izdatel’stvo Kazanskogo gos. tehn. un-ta, Kazan, 2007. (in Russian)]
  20. Васильев, Л.А., Теневые методы. Наука, Москва, 1968. [Vasil’ev, L.A., Tenevye metody = Shadow methods. Nauka, Moscow, 1968. (in Russian)]
  21. Meier, G.E., Computerized background-oriented schlieren. Experiments in Fluids, 2002, vol. 33, pp. 181–187. DOI: 10.1007/s00348-002-0450-7
  22. Venkatakrishnan, L., Meier, G.E., Density measurements using the background oriented Schlieren technique. Experiments in Fluids, 2004, vol. 37, pp. 237–247. DOI: 10.1007/s00348-004-0807-1
  23. Goldhahn, E., Seume, J., The background oriented Schlieren technique: sensitivity, accuracy, resolution and application to a three-dimensional density field. Experiments in Fluids, 2007, vol. 43, pp. 241–249. DOI: 10.1007/s00348-007-0331-1
  24. Расковская, И.Л., Ринкевичюс, Б.С., Толкачев, А.В., Лазерная рефрактография оптически неоднородных сред. Квантовая электроника, 2007, т. 37, № 12, c. 1176–1180. EDN: TTESSV [Raskovskaya, I.L., Rinkevichyus, B.S., Tolkachev, A.V., Laser refractography of optically inhomogeneous media. Kvantovaya elektronika = Quantum Electronics, 2007, vol. 37, no. 12, pp. 1176–1180. DOI: 10.1070/QE2007v037n12ABEH013554]
  25. Сойфер, В.А., Безус, Е.А., Быков, Д.А., Досколович, Л.Л., Ковалев, А.А., и др., Дифракционная оптика и нанофотоника. Москва, Физматлит, 2014. [Soifer, V.A., Bezus, E.A., Bykov, D.A., Doskolovich, L.L., Kovalev A.A., et al., Difraktsionnaya optika i nanofotonika = Diffraction optics and nanophotonics. Moscow, Fizmatlit, 2014. (in Russian)]
  26. Сойфер, В.А., Oптические преобразования. Издательство СГАУ, Самара, 2007. [Soifer, V.A., Opticheskie preobrazovaniya = Optical transformations. Izdatel’stvo SGAU, Samara, 2007. (in Russian)]
  27. O’Shea, D.C., Suleski, T.J., Kathman, A.D., Prather, D.W., Diffractive optics: design, fabrication, and test. SPIE Press, Bellingham, 2003.
  28. Гончарский, А.В., Попов, В.В., Степанов, В.В., Введение в компьютерную оптику. Издательство МГУ, Москва, 1991. [Goncharskiy, A.V., Popov, V.V., Stepanov, V.V., Vvedenie v komp’yuternuyu optiku. Izdatel’stvo MGU, Moscow, 1991. (in Russian)]
  29. Taghizadeh, M.R., Blair, P., Layet, B., Barton, I.M., Waddie, A.J., Ross, N., Design and fabrication of diffractive optical elements. Microelectronic Engineering, 1997, vol. 37, pp. 219–242. DOI: 10.1016/S0167-9317(97)00188-3
  30. Голуб, М.А., Казанский, Н.Л., Сисакян, И.Н., Сойфер, В.А., Харитонов, С.И., Дифракционный расчет оптического элемента, фокусирующего в кольцо. Автометрия, 1987, № 6, с. 8–15. [Golub, M.A., Kazanskiy, N.L., Sisakyan, I.N., Soifer, V.A., Kharitonov, S.I., Diffraction calculation for an optical element which focuses into a ring. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 1987, vol. 23, no. 6, pp. 7–14.] EDN: SYXXID
  31. Soifer, V.A., Korotkova, O., Khonina, S.N., Shchepakina, E.A., Vortex beams in turbulent media: review. Computer Optics, 2016, vol. 40, iss. 5, pp. 605–624. DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-5-605-624
  32. Виноградова, М.Б., Руденко, О.В., Сухоруков, А.П., Теория волн. Наука, Москва, 1979. [Vinogradova, M.B., Rudenko, O.V., Sukhorukov, A.P., Teoriya voln = Theory of waves. Nauka, Moscow,1979. (in Russian)]
  33. Расковская, И.Л., Волновая модель рефракции лазерных пучков с дискретным изменением интенсивности в сечении и их применение для диагностики протяженных нестационарных фазовых объектов. Квантовая электроника, 2015, т. 45, № 8, c. 765–770. EDN: UGUZPX [Raskovskaya, I.L., A wave model of refraction of laser beams with a discrete change in intensity in their cross section and their application for diagnostics of extended nonstationary phase objects. Quantum Electronics, 2015, vol. 45, no. 8, pp. 765–770. DOI: 10.1070/QE2015v045n08ABEH015602]
  34. Расковская, И.Л., Распространение лазерного пучка в среде с акустической волной. Радиотехника и электроника, 2004, т. 49, № 11, c. 1382–1389. [Raskovskaya, I.L., Propagation of a laser beam through a medium in the presence of an acoustic wave. Radiotekhnika i elektronika = Radio engineering and electronics, 2004, vol. 49, no. 11, pp. 1382–1389. (in Russian)]
  35. Кравцов, Ю.А., Орлов, Ю.И., Геометрическая оптика неоднородных сред. Наука, Москва, 1980. [Kravtsov, Yu.A., Orlov, Yu.I., Geometricheskaya optika neodnorodnykh sred = Geometrical optics of inhomogeneous media. Nauka, Moscow, 1980. (in Russian)]
  36. Vedyashkina, A.V., Raskovskaya, I.L., Pavlov, I.N., Formation of caustics by refraction of structured laser radiation in the diffusive layer of liquid. In: PIERS Proc., Czech Republic, Prague, 2015, pp. 884–887.

Загрузки

Выпуск

2023. Том 20. № 1

Раздел

Физика

Страницы

52-64

Отправлено

2022-11-05

Опубликовано

2023-03-31

Как цитировать

Ведяшкина А.В., Павлов И.Н., Расковская И.Л. Моделирование рефракционных изображений при распространении лазерных пучков в оптически неоднородных жидких средах // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2023. Т. 20, №1. С. 52-64. DOI: https://doi.org/10.31429/vestnik-20-1-52-64

Copyright (c) 2023 Ведяшкина А.В., Павлов И.Н., Расковская И.Л.

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.