ИСТИНА

Целью проекта является разработка методов моделирования и вычислительных алгоритмов для расчета и оптимизации оптических и лазерных элементов на основе комбинаций многослойных покрытий и дифракционных решеток с несколькими штрихами в периоде решетки.

Thin-film optical coatings with diffraction gratings provide unique opportunities for the development of breakthrough modern technologies. They are used to amplify short laser pulses to petawatt and super-petawatt power levels. With their help, spectral beam combining is performed, in which many incoherent laser beams of different wavelengths are combined into one powerful beam. Thanks to spectral beam combining, it becomes possible to use diode lasers in the processing of materials and in medical applications. Currently used thin-film coatings with diffraction gratings are the simplest structures based on quarter-wave dielectric mirrors with regular diffraction gratings in the upper coating layer. The study of the coatings common in structure with irregular gratings, which have several different grooves in the grating period, is planned in the project. This increases the number of design parameters that can be optimized to achieve substantially better characteristics of existing devices and to design completely new devices. The scientific novelty and significance of the planned project is determined by the fact that a detailed study of thin-film coatings that have several different grooves in the period of grating formed in the upper layers of the coating will be carried out for the first time. The planned studies will be aimed at the development of modeling methods and elaboration of effective computational algorithms for evaluating and optimizing such structures. For this, a detailed comparison will be made of various methods for solving the direct problem of the propagation of electromagnetic radiation in systems formed by layered structures with diffraction gratings, and the most computationally efficient algorithm for calculating the spectral characteristics of the systems in the main diffraction orders will be constructed. To solve the inverse problems of designing the systems under study, local and nonlocal methods for optimizing the parameters of the coating and diffraction grating will be developed. The scientific and practical significance of the expected results is determined by the fact that for the first time effective numerical methods will be developed for solving the corresponding multi-parametric optimization problems. These methods will take into account the characteristic features of the problems under consideration and the conditions for the best practical feasibility of the designed systems. Parallel computational algorithms for solving problems will also be developed and programmed, and calculations will be performed on a supercomputer to design specific systems based on layered structures with diffraction gratings.

Ожидаемыми результатами исследования будут методы моделирования и вычислительные алгоритмы для расчета и оптимизации оптических и лазерных элементов на основе комбинаций многослойных покрытий и дифракционных решеток с несколькими штрихами в периоде решетки. Основными ожидаемыми результатами предполагаются: - новые методы решения прямых задач распространения электромагнитного излучения (задач дифракции) в электродинамических системах, образованных слоистыми покрытиями с нанесенными на них дифракционными решетками; - вычислительные алгоритмы для решения задач распространения оптического и лазерного излучения, реализующие методы решения прямых задач; - методы решения задач проектирования электродинамических систем, образованных слоистыми покрытиями с нанесенными на них дифракционными решетками; - вычислительные алгоритмы для решения задач проектирования электродинамических систем, образованных слоистыми покрытиями с нанесенными на них дифракционными решетками; - масштабные вычислительные тесты с использованием реальных экспериментальных данных; - рекомендации по применению методов проектирования, основанные на результатах экспериментов и учитывающие практические ограничения. В результате работы по проекту будут разработаны новые подходы к проектированию многослойных покрытий и дифракционных решеток, опирающиеся на теоретические результаты исследования прямых задач дифракции, методы оптимизации целевых функционалов задач проектирования, а также учет практических возможностей создания слоистых покрытий с нанесенными на них дифракционными решетками.

Обе исследовательские команды имеют опыт как в теоретической, так и в экспериментальной работе, относящейся непосредственно к тематике планируемых исследований. При этом каждая из команд является признанным мировым лидером в одном из этих направлений: российская сторона - в области моделирования современных электродинамических систем и разработки методов решения прямых и обратных задач, связанных с распространение волн в слоистых средах и дифракционных структурах, китайская сторона - в области создания многослойных оптических покрытий и различных устройств на их основе, а также в области исследования соответствующих структур наиболее современными экспериментальными методами. Обе команды имеют многочисленные публикации в ведущих мировых изданиях, отражающие накопленный ими опыт работы. Накопленный в прошлом опыт позволит участникам проекта результативно решать поставленные задачи. Численные и аналитические методы исследования прямых и обратных задач дифракции, разработанные вычислительные алгоритмы могут лечь в основу работы над проектом. Участники проекта имеют свободный доступ к сверхвысокопроизводительным вычислительным ресурсам Центра коллективного пользования МГУ имени М.В. Ломоносова (суперкомпьютер «Ломоносов-2» НИВЦ МГУ) для проведения масштабных вычислительных экспериментов.