Научно-технический
«ОПТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ»
издается с 1931 года
 
   
Русский вариант сайта Английский вариант сайта
   
       
   
       
Статьи последнего выпуска

Электронные версии
выпусков начиная с 2008


Алфавитный указатель
2000-2010 гг


444
Архив оглавлений
выпусков 2002-2007 гг


Реквизиты и адреса

Вниманию авторов и рецензентов!
- Порядок публикации
- Порядок рецензирования статей
- Типовой договор
- Правила оформления
- Получение авторского вознаграждения
- Редакционная этика


Контакты

Подписка

Карта сайта




Журнал с 01.12.2015 допущен ВАК для публикации основных результатов диссертаций как издание, входящее в международные реферативные базы систем цитирования (Web Science, Scopus) (см. Vak.ed.gov.ru Перечень журналов МБД 16.03.2018г)

GENERATION OF HIGH-QUALITY NON-DIFFRACTING BEAMS USING SPATIAL FILTERING

 

© 2020   Ying Zhang*, **, doctoral student; Ke Fan***, PhD; Jianzhong Lou***, MS; Yan Wei*, **, PhD

*     Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, 610209, China;

**   University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China;

*** Guangzhou Institutes of Biomedicine and Health, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou, 510530, China

E-mail: fan_ke@gibh.ac.cn, yanwei@ioe.ac.cn

Submitted 24.12.2019

DOI:10.17586/1023-5086-2020-87-06-09-17

Annular spatial filtering is a widely used technique for the generation of non-diffracting beams. Combined with a phase modulator, this setup can generate arbitrary non-diffracting beams with high power efficiency. Previously, researchers have mainly focused on the generation of a specific type of beam (Bessel, Weber). In this study, a method to obtain the optimal setup parameters for general non-diffracting beams was introduced. To achieve the balance of efficiency and beam quality, appropriate sampling numbers and annular ring size were determined. A simulation, derived from the Fourier optics model, was developed to estimate the optimal parameters. The selected ring width predicted by the simulation was then verified using experimental results. This investigation develops a strategy to improve the quality of various non-diffracting beams in more general applications.

Keywords: non-diffracting beams, high-quality, spatial filtering.

OCIS codes: 260.0260

 

Генерация высококачественных недифрагирующих пучков с использованием пространственной фильтрации

© 2020 г.      Ying Zhang, Ke Fan, Jianzhong Lou, Yan Wei

Для генерации недифрагирующих пучков широко применяется кольцевая пространственная фильтрация. В сочетании с фазовым модулятором это позволяет генерировать произвольные типы недифрагирующих пучков с высокой энергетической эффективностью. Ранее исследователи в основном фокусировали свое внимание на генерации специфических типов пучков (Бесселя, Вебера). В настоящее работе предложен метод получения оптимальных параметров фильтрации для получения недифрагирующих пучков общего вида. Развита теория и проведено численное моделирование процесса фильтрации, основанное на использовании методов фурье-оптики. Определены параметры выборочной совокупности и размеры диафрагмирующего кольца, обеспечивающие баланс эффективности преобразования и качества пучков. Определенные таким образом параметры были верифицированы с использованием экспериментальных результатов. Выполненные исследования позволяют сформировать стратегию улучшения качества недифрагирующих пучков общего вида применительно к конкретным приложениям.

Ключевые слова: недифрагирующие пучки, высокое качество, пространственная фильтрация.

 

References

1.    Durnin J. Exact solutions for nondiffracting beams. I. The scalar theory // Journal of The Optical Society of America A-optics Image Science and Vision. 1987. V. 4. No 4. P. 651–654.

2.   Fleischer J.W., Segev M., Efremidis N.K., Christodoulides D.N. Observation of two-dimensional discrete solitons in optically induced nonlinear photonic lattices // Nature. 2003. V. 422. No 6928. P. 147–150.

3.   Garceschavez V., Mcgloin D., Melville H., Sibbett W., Dholakia K. Simultaneous micromanipulation in multiple planes using a self-reconstructing light beam // Nature. 2002. V. 419. No 6903. P. 145–147.

4.   Zhou Q., Yang W., He F., Stoian R., Hui R., Cheng G. Femtosecond multi-beam interference lithography based on dynamic wavefront engineering // Optics Express. 2013. V. 21. No 8. P. 9851–9861.

5.   Bouchal Z. Nondiffracting optical beams: physical properties, experiments, and applications // Czechoslovak Journal of Physics. 2003. V. 53. No 7. P. 537–578.

6.   Boguslawski M., Rose P., Denz C. Increasing the structural variety of discrete nondiffracting wave fields // Physical Review A. 2011. V. 84. No 1. P. 013832.

7.    Scott G., Mcardle N. Efficient generation of nearly diffraction-free beams using an axicon // Optical Engineering. 1992. V. 31. No 12. P. 2640–2643.

8.   Alpmann C., Bowman R., Woerdemann M., Padgett M.J., Denz C. Mathieu beams as versatile light moulds for 3D micro particle assemblies // Optics Express. 2010. V. 18. No 25. P. 26084–26091.

9.   Bandres M.A., Gutierrezvega J.C., Chavezcerda S. Parabolic nondiffracting optical wave fields // Optics Letters. 2004. V. 29. No 1. P. 44–46.

10. Overfelt P.L., Kenney C.S. Comparison of the propagation characteristics of Bessel, Bessel–Gauss, and Gaussian beams diffracted by a circular aperture // Journal of The Optical Society of America A-optics Image Science and Vision. 1991. V. 8. No 5. P. 732–745.

11.  Durnin J., Miceli J.J., Eberly J.H. Diffraction-free beams // Physical Review Letters. 1987. V. 58. No 15. P. 1499–1501.

12.  Wang Y., Qu W., Jiao L., Zhang Y. Generation and control of Bessel beams based on annular reflections // Applied Physics B. 2015. V. 119. No 2. P. 241–245.

13.  Turunen J., Vasara A., Friberg A.T. Propagation invariance and self-imaging in variable-coherence optics // Journal of The Optical Society of America A-optics Image Science and Vision. 1991. V. 8. No 2. P. 282–289.

14.  Vasilyeu R., Dudley A., Khilo N.A., Forbes A. Generating superpositions of higher order Bessel beams // Optics Express. 2009. V. 17. No 26. P. 23389–23395.

15.  James D., Joseph E. Diffraction free arrangement // United States Patent No. 4887885. 1989.

16.  Vasara A., Turunen J., Friberg A.T. Realization of general nondiffracting beams with computer-generated holograms // Journal of The Optical Society of America A-optics Image Science and Vision. 1989. V. 6. No 11. P. 1748–1754.

17.  Mcleod J.H. The axicon: a new type of optical element // Journal of the Optical Society of America. 1954. V. 44. No 8. P. 592–597.

18.  Indebetouw G. Nondiffracting optical fields: some remarks on their analysis and synthesis // Journal of The Optical Society of America A-optics Image Science and Vision. 1989. V. 6. No 1. P. 150–152.

19.  Arlt J., Dholakia K. Generation of high-order Bessel beams by use of an axicon // Optics Communications. 2000. V. 177. No 1. P. 297–301.

20. Davis J.A., Carcole E., Cottrell D.M. Nondiffracting interference patterns generated with programmable spatial light modulators // Applied Optics. 1996. V. 35. No 4. P. 599–602.

21.  Chattrapiban N., Rogers E.A., Cofield D., Hill W.T., Roy R. Generation of nondiffracting Bessel beams by use of a spatial light modulator // Optics Letters. 2003. V. 28. No 22. P. 2183–2185.

22. Bowman R., Muller N., Zambranapuyalto X., Jedrkiewicz O., Trapani P.D., Padgett M.J. Efficient generation of Bessel beam arrays by means of an SLM // European Physical Journal – special Topics. 2011. V. 199. No 1. P. 159–166.

23. Shen T., Lang T., Wu M., Han Z. Bessel-like beam generated by an axicon based on parallel-plate waveguides // Applied Optics. 2018. V. 57. No 21. P. 6174–6180.

24. Gong L., Ren Y., Xue G., Wang Q., Zhou J., Zhong M., Wang Z., Li Y. Generation of nondiffracting Bessel beam using digital micromirror device // Applied Optics. 2013. V. 52. No 19. P. 4566–4575.

25. Yu X., Todi A., Tang H. Bessel beam generation using a segmented deformable mirror // Applied Optics. 2018. V. 57. No 16. P. 4677–4682.

26. Cottrell D.M., Craven J.M., Davis J.A. Nondiffracting random intensity patterns // Optics Letters. 2007. V. 32. No 3. P. 298–300.

27. Hernandezhernandez R.J., Terborg R.A., Ricardezvargas I., Volkesepulveda K. Experimental generation of Mathieu–Gauss beams with a phase-only spatial light modulator // Applied Optics. 2010. V. 49. No 36. P. 6903–6909.

28. Arrizon V., Sanchezdelallave D., Ruiz U., Mendez G. Efficient generation of an arbitrary nondiffracting Bessel beam employing its phase modulation // Optics Letters. 2009. V. 34. No 9. P. 1456–1458.

29. Mahmoud M., Shalaby M., Khalil D. Propagation of Bessel beams generated using finite-width Durnin ring // Applied Optics. 2013. V. 52. No 2. P. 256–263.

30. Wang Z., Bovik A.C., Sheikh H.R., Simoncelli E.P. Image quality assessment: from error visibility to structural similarity // IEEE Trans Image Process. 2004. V. 13. No 4. P. 600–612.

31.       Liu W., Gao J., Yang X. Optical transportation of micro-particles by non-diffracting Weber beams // Journal of Optics. 2018. V. 20. No 12. P. 125401.

 

 

Полный текст