Effect of absorption on the diffraction efficiency in Fe : LiNbO3 crystal with 90 degrees recording geometry

In this paper the saturated diffraction efficiency has been optimized by considering the effect of the absorption of the recording light on a crossed-beam grating with 90 degrees recording geometry in Fe:LiNbO3 crystals. The dependence of saturated diffraction efficiency on the doping levels with a known oxidation-reduction state, as well as the dependence of saturated diffraction efficiency on oxidation-reduction state with known doping levels, has been investigated. Two competing effects on the saturated diffraction efficiency were discussed, and the intensity profile of the diffracted beam at the output boundary has also been investigated. The results show that the maximal saturated diffraction efficiency can be obtained in crystals with moderate doping levels and modest oxidation state. An experimental verification is performed and the results are consistent with those of the theoretical calculation.

Fast numerical methods for mixed, singular Helmholtz boundary value problems and Laplace eigenvalue problems - with applications to antenna design, sloshing, electromagnetic scattering and spectral geometry

This thesis presents a novel class of algorithms for the solution of scattering and eigenvalue problems on general two-dimensional domains under a variety of boundary conditions, including non-smooth domains and certain "Zaremba" boundary conditions - for which Dirichlet and Neumann conditions are specified on various portions of the domain boundary. The theoretical basis of the methods for the Zaremba problems on smooth domains concern detailed information, which is put forth for the first time in this thesis, about the singularity structure of solutions of the Laplace operator under boundary conditions of Zaremba type. The new methods, which are based on use of Green functions and integral equations, incorporate a number of algorithmic innovations, including a fast and robust eigenvalue-search algorithm, use of the Fourier Continuation method for regularization of all smooth-domain Zaremba singularities, and newly derived quadrature rules which give rise to high-order convergence even around singular points for the Zaremba problem. The resulting algorithms enjoy high-order convergence, and they can tackle a variety of elliptic problems under general boundary conditions, including, for example, eigenvalue problems, scattering problems, and, in particular, eigenfunction expansion for time-domain problems in non-separable physical domains with mixed boundary conditions.

Computational microscopy: turning megapixels into gigapixels

The layout of a typical optical microscope has remained effectively unchanged over the past century. Besides the widespread adoption of digital focal plane arrays, relatively few innovations have helped improve standard imaging with bright-field microscopes. This thesis presents a new microscope imaging method, termed Fourier ptychography, which uses an LED to provide variable sample illumination and post-processing algorithms to recover useful sample information. Examples include increasing the resolution of megapixel-scale images to one gigapixel, measuring quantitative phase, achieving oil-immersion quality resolution without an immersion medium, and recovering complex three dimensional sample structure.

A novel three-dimensional imaging array recording and computational method by means of coded cameras reconstruction

In this paper, we propose a novel three-dimensional imaging method by which the object is captured by a coded cameras array (CCA) and computationally reconstructed as a series of longitudinal layered surface images of the object. The distribution of cameras in array, named code pattern, is crucial for reconstructed images fidelity when the correlation decoding is used. We use DIRECT global optimization algorithm to design the code patterns that possess proper imaging property. We have conducted primary experiments to verify and test the performance of the proposed method with a simple discontinuous object and a small-scale CCA including nine cameras. After certain procedures such as capturing, photograph integrating, computational reconstructing and filtering, etc., we obtain reconstructed longitudinal layered surface images of the object with higher signal-to-noise ratio. The results of experiments show that the proposed method is feasible. It is a promising method to be used in fields such as remote sensing, machine vision, etc. (c) 2006 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Análise global da estabilidade termodinâmica de misturas: um estudo com o método do conjunto gerador

O cálculo do equilíbrio de fases é um problema de grande importância em processos da engenharia, como, por exemplo, na separação por destilação, em processos de extração e simulação da recuperação terciária de petróleo, entre outros. Mas para resolvê-lo é aconselhável que se estude a priori a estabilidade termodinâmica do sistema, a qual consiste em determinar se uma dada mistura se apresenta em uma ou mais fases. Tal problema pode ser abordado como um problema de otimização, conhecido como a minimização da função distância do plano tangente à energia livre de Gibbs molar, onde modelos termodinâmicos, de natureza não convexa e não linear, são utilizados para descrevê-lo. Esse fato tem motivado um grande interesse em técnicas de otimização robustas e eficientes para a resolução de problemas relacionados com a termodinâmica do equilíbrio de fases. Como tem sido ressaltado na literatura, para proporcionar uma completa predição do equilíbrio de fases, faz-se necessário não apenas a determinação do minimizador global da função objetivo do teste de estabilidade, mas também a obtenção de todos os seus pontos estacionários. Assim, o desenvolvimento de metodologias para essa tarefa desafiadora tem se tornado uma nova área de pesquisa da otimização global aplicada à termodinâmica do equilíbrio, com interesses comuns na engenharia química e na engenharia do petróleo. O foco do presente trabalho é uma nova metodologia para resolver o problema do teste de estabilidade. Para isso, usa-se o chamado método do conjunto gerador para realizar buscas do tipo local em uma rede de pontos previamente gerada por buscas globais efetuadas com uma metaheurística populacional, no caso o método do enxame de partículas.Para se obter mais de um ponto estacionário, minimizam-se funções de mérito polarizadas, cujos pólos são os pontos previamente encontrados. A metodologia proposta foi testada na análise de quatorze misturas polares previamente consideradas na literatura. Os resultados mostraram que o método proposto é robusto e eficiente a ponto de encontrar, além do minimizador global, todos os pontos estacionários apontados previamente na literatura, sendo também capaz de detectar, em duas misturas ternárias estudadas, pontos estacionários não obtidos pelo chamado método de análise intervalar, uma técnica confiável e muito difundida na literatura. A análise do teste de estabilidade pela simples utilização do método do enxame de partículas associado à técnica de polarização mencionada acima, para a obtenção de mais de um ponto estacionário (sem a busca local feita pelo método do conjunto gerador em uma dada rede de pontos), constitui outra metodologia para a resolução do problema de interesse. Essa utilização é uma novidade secundária deste trabalho. Tal metodologia simplificada exibiu também uma grande robustez, sendo capaz de encontrar todos os pontos estacionários pesquisados. No entanto, quando comparada com a abordagem mais geral proposta aqui, observou-se que tal simplificação pode, em alguns casos onde a função de mérito apresenta uma geometria mais complexa, consumir um tempo de máquina relativamente grande, dessa forma é menos eficiente.

Computational Microscopy: Breaking the Limit of Conventional Optics

Computational imaging is flourishing thanks to the recent advancement in array photodetectors and image processing algorithms. This thesis presents Fourier ptychography, which is a computational imaging technique implemented in microscopy to break the limit of conventional optics. With the implementation of Fourier ptychography, the resolution of the imaging system can surpass the diffraction limit of the objective lens's numerical aperture; the quantitative phase information of a sample can be reconstructed from intensity-only measurements; and the aberration of a microscope system can be characterized and computationally corrected. This computational microscopy technique enhances the performance of conventional optical systems and expands the scope of their applications.

Um método sintético de difusão para aceleração do esquema de fonte de espalhamento em cálculos SN unidimensionais de fonte fixa

O esquema iterativo de fonte de espalhamento (SI) é tradicionalmente aplicado para a convergência da solução numérica de malha fina para problemas de transporte de nêutrons monoenergéticos na formulação de ordenadas discretas com fonte fixa. O esquema SI é muito simples de se implementar sob o ponto de vista computacional; porém, o esquema SI pode apresentar taxa de convergência muito lenta, principalmente para meios difusivos (baixa absorção) com vários livres caminhos médios de extensão. Nesta dissertação descrevemos uma técnica de aceleração baseada na melhoria da estimativa inicial para a distribuição da fonte de espalhamento no interior do domínio de solução. Em outras palavras, usamos como estimativa inicial para o fluxo escalar médio na grade de discretização de malha fina, presentes nos termos da fonte de espalhamento das equações discretizadas SN usadas nas varreduras de transporte, a solução numérica da equação da difusão de nêutrons em grade espacial de malha grossa com condições de contorno especiais, que aproximam as condições de contorno prescritas que são clássicas em cálculos SN, incluindo condições de contorno do tipo vácuo. Para aplicarmos esta solução gerada pela equação da difusão em grade de discretização de malha grossa nas equações discretizadas SN de transporte na grade de discretização de malha fina, primeiro implementamos uma reconstrução espacial dentro de cada nodo de discretização, e então determinamos o fluxo escalar médio em grade de discretização de malha fina para usá-lo nos termos da fonte de espalhamento. Consideramos um número de experimentos numéricos para ilustrar a eficiência oferecida pela presente técnica (DSA) de aceleração sintética de difusão.

Um método de matriz resposta com esquema iterativo de inversão parcial por região para problemas unidimensionais de transporte de nêutrons monoenergéticos na formulação de ordenadas discretas

Um método de matriz resposta (RM) é descrito para gerar soluções numéricas livres de erros de truncamento espacial para problemas de transporte de nêutrons monoenergéticos e com fonte fixa, em geometria unidimensional na formulação de ordenadas discretas (SN). O método RM com esquema iterativo de inversão parcial por região (RBI) converge valores numéricos para os fluxos angulares nas fronteiras das regiões que coincidem com os valores da solução analítica das equações SN, afora os erros de arredondamento da aritmética finita computacional. Desenvolvemos um esquema numérico de reconstrução espacial, que fornece a saída para os fluxos escalares de nêutrons em qualquer ponto do domínio definido pelo usuário, com um passo de avanço também escolhido pelo usuário. Resultados numéricos são apresentados para ilustrar a precisão do presente método em cálculos de malha grossa.