Научные статьи
\
Прикладные науки. Медицина. Технология
\
Инженерное дело. Техника в целом
\
Общее машиностроение. Ядерная технология. Электротехника. Технология машиностроения
\
Электротехника
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.
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
Solving the inverse problem of focusing laser radiation in a plane region using geometrical optics
We proposed a method for calculating the eikonal function of a light field from the condition of generating a desired intensity distribution in a predetermined region of the focal plane. To improve the efficiency of solving the problem of focusing we developed a modification of a method of rectangle matching, which enables designing diffractive optical elements (DOE) intended to focus into a plane region. The novelty of our approach consists in a method of reconstructing the eikonal function from the known ray map of points on the DOE onto points in the focal plane. We presented the results of the DOE-aided focusing into a circle, a rectangle, a rhombus, and a superellipse. The simulation results showed the high quality of focusing, thus corroborating the efficiency of the proposed method. We expect to use the diffractive optical elements (DOE) for lighting the area of interest from low-flying drones used for night-time Earth remote sensing.
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.
