Решение обратной задачи фокусировки лазерного излучения в плоские области в рамках геометрической оптики

Автор: Харитонов Сергей Иванович, Досколович Леонид Леонидович, Казанский Николай Львович

Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics

Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии

Статья в выпуске: 4 т.40, 2016 года.

Бесплатный доступ

Предложен метод расчёта функции эйконала светового поля из условия формирования требуемого распределения интенсивности в заданной области фокальной плоскости. Для повышения эффективности решения задачи фокусировки разработана модификация метода согласованных прямоугольников, который обеспечивает расчет дифракционных оптических элементов для фокусировки в плоские области. Новизна состоит в методе восстановления эйкональной функции по известному лучевому соответствию между точками на дифракционных оптических элементах и точками в фокальной плоскости. Представлены результаты фокусировки в ромб Результаты моделирования показывают высокое качество фокусировки и подтверждают работоспособность предложенного метода.

Еще

Геометрическая оптика, эйкональная функция, фокусировка, метод согласованных прямоугольников, лучевое соответствие

Короткий адрес: https://sciup.org/14059483

IDR: 14059483 | DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-4-439-450

Список литературы Решение обратной задачи фокусировки лазерного излучения в плоские области в рамках геометрической оптики

Bryngdahl, O. Laser beam scanning using computer generated holograms/O. Bryngdahl, W.H. Lee//Applied Optics. -1976. -Vol. 15(1). -P. 183-194.
Bryngdahl, O. Geometrical transforms in optics/O. Bryngdahl//Journal of Optical Society of America. -1974. -Vol. 64(8). -P. 1092-1099.
Голуб, М.А. Фокусировка когерентного излучения в заданную область пространства с помощью синтезированных на ЭВМ голограмм/М.А. Голуб, С.В. Карпеев, А.М. Прохоров, И.Н. Сисакян, В.А. Сойфер//Письма в ЖТФ. -1981. -Т. 7, № 10. -С. 618-623.
Голуб, М.А. Машинный синтез фокусирующих элементов для CO2-лазера/М.А. Голуб, В.П. Дегтярева, А.Н. Климов, В.В. Попов, А.М. Прохоров, И.Н. Сисакян, В.А. Сойфер//Письма в ЖТФ. -1982. -Т. 8, № 13. -С. 449-451.
Данилов, В.А. Синтез оптических элементов, создающих фокальную линию произвольной формы/В.А. Данилов, В.В. Попов, А.М. Прохоров, Д.М. Сагателян, И.Н. Сисакян, В.А. Сойфер//Письма в ЖТФ. -1982. -Т. 8, № 13. -С. 810-815.
Гончарский, А.В. Решение обратной задачи фокусировки лазерного излучения в произвольную кривую/А.В. Гончарский, В.А. Данилов, В.В. Попов, А.М. Прохоров, И.Н. Сисакян, В.А. Сойфер, В.В. Степанов//Доклады АН СССР. -1983. -Т. 273, № 3. -С. 605-608.
Данилов, В.А. Теория когерентных фокусаторов/В.А. Данилов, Б.Е. Кинбер, А.Е. Шилов//Компьютерная оптика. -1987. -Вып. 1. -С. 40-52.
Golub, M.A. Infra-red radiation focusators/M.A. Golub, I.N. Sisakian, V.A. Soifer//Optics and Lasers in Engineering. -1991. -Vol. 15(5). -P. 297-309. - DOI: 10.1016/0143-8166(91)90017-N
Doskolovich, L.L. Analytic design of optical elements generating a line focus/L.L. Doskolovich, A.Yu. Dmitriev, S.I. Kharitonov//Optical Engineering. -2013. -Vol. 52(9). -091707. -DOI: 10.1117/1.OE.52.9.091707.
Hilton, P.A. Use of a diffractive optic for high power laser cutting/P.A. Hilton, D. Lloyd, J.R. Tyrer//Journal of Laser Applications. -2016. -Vol. 28. -012014. -DOI: 10.2351/1.4938279.
Abul'khanov, S.R. Technological applications of focusing optical elements/S.R. Abul'khanov//Proceedings of SPIE. -2014. -Vol. 9533. -95330B. -DOI: 10.1117/12.2180564.
Doskolovich, L.L. Focusators for laser-branding/L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, S.I. Kharitonov, G.V. Usplenjev//Optics and Lasers in Engineering. -1991. -Vol. 15(5). -P. 311-322. - DOI: 10.1016/0143-8166(91)90018-O
Grewell, D. Diffractive optics as beam-shaping elements for plastics laser welding/D. Grewell, A. Benatar//Optical Engineering. -2007. -Vol. 46(11). -118001. -DOI: 10.1117/1.2802588.
Aslanov, E.R. Design of an optical element forming an axial line segment for efficient LED lighting systems/E.R. Aslanov, L.L. Doskolovich, M.A. Moiseev, E.A. Bezus, N.L. Kazanskiy//Optics Express. -2013. -Vol. 21(23). -P. 28651-28656. - DOI: 10.1364/OE.21.028651
Popov, S.B. The intellectual lighting for optical information-measuring systems/S.B. Popov//Proceedings of SPIE. -2014. -Vol. 9533. -95330P. -DOI: 10.1117/12.2181168.
Kazanskiy, N.L. Binary beam splitter/N.L. Kazanskiy, R.V. Skidanov//Applied Optics. -2012. -Vol. 51(14). -P. 2672-2677. -DOI: 10.1364/AO.51.002672.
Досколович, Л.Л. Расчёт эйконала светового поля для фокусировки в набор точек/Л.Л. Досколович, М.А. Моисеев, Е.В. Бызов, С.В. Кравченко//Компьютерная оптика. -2014. -Т. 38, № 3. -С. 443-448.
Kazanskiy, N.L. Synthesis of nanoporous structures in metallic materials under laser action/N.L. Kazanskiy, S.P. Murzin, Y.L. Osetrov, V.I. Tregub//Optics and Lasers in Engineering. -2011. -Vol. 49(11). -P. 1264-1267. - DOI: 10.1016/j.optlaseng.2011.07.001
Murzin, S.P. Formation of nanoporous structures in metallic materials by pulse-periodic laser treatment/S.P. Murzin//Optics and Laser Technology. -2015. -Vol. 72. -P. 48-52. -DOI: 10.1016/j.optlastec.2015.03.022.
Murzin, S.P. Local laser annealing for aluminium alloy parts/S.P. Murzin//Lasers in Engineering. -2016. -Vol. 33(1-3). -P. 67-76.
Doskolovich, L.L. Analytical source-target mapping method for the design of freeform mirrors generating prescribed 2D intensity distributions/L.L. Doskolovich, E.A. Bezus, M.A. Moiseev, D.A. Bykov, N.L. Kazanskiy//Optics Express. -2016. -Vol. 24(10). -P. 10962-10971. -DOI: 10.1364/OE.24.010962.
Rodgers, K.J. Improved method of laser thermal keratoplasty to overcome presbyopia/K.J. Rodgers, H.G. Glen, J.J. Salz, E. Maguen, M.J. Berry//Proceedings of SPIE. -2011. -Vol. 7885. -78850N. -DOI: 10.1117/12.878330.
Соболь, Э.Н. Перспективные лазерные технологии модификации структуры и реконструкции тканей в отоларингологии, ортопедии и офтальмологии/Э.Н. Соболь, О.И. Баум, А.И. Омельченко, Н.Н. Воробьева, О.Л. Захаркина, Ю.М. Сошникова, А.В. Южаков, Е.М. Щербаков, А.Б. Шехтер, А.Е. Гуллер, А.В. Большунов, А.В. Басков, В.М. Свистушкин. -В кн.: Современные лазерноинформационные технологии»/под ред. В.Я. Панченко, В.Ф. Лебедева. -М.: Интерконтакт Наука, 2015. -С. 567-614.
Veldkamp, W.B. Beam profile shaping for laser radars that use detector arrays/W.B. Veldkamp, C.J. Kastner//Applied Optics. -1982. -Vol. 21. -P. 345-356.
Veldkamp, W.B. Laser beam profile shaping with interlaced binary gratings/W.B. Veldkamp//Applied Optics. -1982. -Vol. 21. -P. 3209-3212.
Han, C.-Y. Reshaping collimated laser beams with Gaussian profile to uniform profiles/C.-Y. Han, Y. Ishii, K. Murata//Applied Optics. -1983. -Vol. 22(22). -P. 3644-3647.
Roberts, N.C. Beam shaping by holographic filters/N.C. Roberts//Applied Optics. -1989. -Vol. 28(1). -P. 31-32.
Eismann, M.T. Iterative design of holographic beamformer/M.T. Eismann, A.M. Tai, J.N. Cederquist//Applied Optics. -1989. -Vol. 28(13). -P. 2541-2650.
Голуб, М.А. Вычислительный эксперимент с фокусатором Гауссова пучка в прямоугольник с постоянной интенсивностью/М.А. Голуб, Л.Л. Досколович, Н.Л. Казанский, И.Н. Сисакян, В.А. Сойфер, С.И. Харитонов//Компьютерная оптика. -1990. -Вып. 7. -С. 42-49.
Aleksoff, C.C. Holographic conversion of a Gaussian beam to a near-field uniform beam/C.C. Aleksoff, K.K. Ellis, B.D. Neagle//Optical Engineering. -1991. -Vol. 30(5). -P. 537-543.
Sweatt, W.C. Transforming a circular laser beam into a square or trapezoid-almost/W.C. Sweatt//Optical Engineering. -1992. -Vol. 31(2). -P. 245-250.
Roberts, N.C. Multilevel computer-generated holograms with separable phase functions for beam shaping/N.C. Roberts//Applied Optics. -1992. -Vol. 31(17). -P. 3198-3200.
Голуб, М.А. Исследование фокусаторов в прямоугольник методом вычислительного эксперимента/М.А. Голуб, Л.Л. Досколович, Н.Л. Казанский, В.А. Сойфер, С.И. Харитонов//Компьютерная оптика. -1992. -Вып. 10-11. -С. 110-122.
Досколович, Л.Л. Исследование голографических оптических элементов, фокусирующих в двумерную прямоугольную область/Л.Л. Досколович, Н.Л. Казанский//Компьютерная оптика. -1992. -Вып. 12. -С. 14-17.
Cordingley, J. Application of a binary diffractive optic for beam shaping in semiconductor processing by lasers/J. Cordingley//Applied Optics. -1993. -Vol. 32, Issue 14. -P. 2538-2542.
Doskolovich, L.L. Diffraction investigation of focusators into plane area/L.L. Doskolovich, M.A. Golub, N.L. Kazanskiy, S.I. Kharitonov, V.A. Soifer//Proceedings of SPIE. -1993. -Vol. 1983, Part 2. -P. 656-657.
Stevenson, R.M. Binary-phase zone plate arrays for the generation of uniform focal profiles/R.M. Stevenson, M.J. Norman, T.H. Bett, D.A. Pepler, C.N. Danson, I.N. Ross//Optical Letters. -1994. -Vol. 19(6). -P. 363-365.
Kazanskiy, N.L. Computer-aided design of diffractive optical elements/N.L. Kazanskiy, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer//Optical Engineering. -1994. -Vol. 33(10). -P. 3156-3166. - DOI: 10.1117/12.178898
Досколович, Л.Л. Расчёт бинарных дифракционных оптических элементов для фокусировки в заданную двумерную область/Л.Л. Досколович, Н.Л. Казанский, В.А. Сойфер//Автометрия. -1995. -№ 5. -С. 42-50.
Duparré, M. Investigation of computer-generated diffractive beam shapers for flattening of single-modal CO2 laser beams/M. Duparré, M.A. Golub, B. Lüdge, V.S. Pavelyev, V.A. Soifer, G.V. Uspleniev, S.G. Volotovskii//Applied Optics. -1995. -Vol. 34(14). -P. 2489-2497. - DOI: 10.1364/AO.34.002489
Khonina, S.N. Levelling the focal spot intensity of the focused Gaussian beam/S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, R.V. Skidanov, V.A. Soifer//Journal of Modern Optics. -2000. -Vol. 47(5). -P. 883-904.
Doskolovich, L.L. Focusators into a ring/L.L. Doskolovich, S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, I.V. Nikolsky, V.A. Soifer, G.V. Uspleniev//Optical and Quantum Electronics. -1993. -Vol. 25(11). -P. 801-814.
Greisukh, G.I. Optics of diffractive and gradient-index elements and systems/G.I. Greisukh, S.T. Bobrov, S.A. Stepanov. -Bellingham: SPIE Press, 1997. -414 p. -ISBN: 9780819424518.
Komenda, O. Design of rotationally symmetric diffractive beam shapers using IFTA/O. Komenda, M. Skeren//Frontiers in Optics. -2006. -OSA Technical Digest (CD). -JSuA48. - DOI: 10.1364/FIO.2006.JSuA48
Umhofer, U. Refractive and diffractive laser beam shaping optics/U. Umhofer, E. Jäger, C. Bischoff//Laser Technik Journal. -2011. -Vol. 8. -P. 24-27. - DOI: 10.1002/latj.201190020
Yao, P.-H. Low speckle laser illuminated projection system with a vibrating diffractive beam shaper/P.-H. Yao, Chieh-Hui Chen, Cheng-Huan Chen//Optics Express. -2012. -Vol. 20(15). -P. 16552-16566. -DOI: 10.1364/OE.20.016552.
Hsu, K.-H. Trade-off between diffraction efficiency and uniformity for design of binary diffractive laser beam shaper/K.-H. Hsu, H.Y. Lin//Optical Review. -2013. -Vol. 20(4). -P. 296-302. -DOI: 10.1007/s10043-013-0054-x.
Doskolovich, L.L. A method of designing diffractive optical elements focusing into plane areas/L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, S.I. Kharitonov, V.A. Soifer//Journal of Modern Optics. -1996. -Vol. 43(7). -P. 1423-1433. - DOI: 10.1080/09500349608232815
Кошляков, Н.С. Уравнения в частных производных математической физики/Н.С. Кошляков, Э.Б. Глинер, М.М. Смирнов. -М.: Высшая школа, 1970. -710 с.

Еще

Статья научная