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)

Аннотации (05.2023) : Моделирование фокального преобразователя лазерного пучка методом геометрического отображения лучей

Моделирование фокального преобразователя лазерного пучка методом геометрического отображения лучей

DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-05-29-40

УДК 535.015

Ян Владимирович Терло1*, Анна Олеговна Вознесенская2

Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия

1vespasian1999@gmail.com         https://orcid.org/0000-0002-2768-8832

2voznesenskaya@itmo.ru http://orcid.org/0000-0002-4074-4341

Аннотация

Предмет исследования. Модифицированный метод геометрического отображения лучей для синтеза двухкомпонентного преобразователя лазерного излучения. Подобные преобразователи используются для получения плоского профиля высокой интенсивности. Цель работы. Разработка и апробация алгоритма метода одновременного синтеза пары оптических поверхностей свободной формы двухкомпонентного фокального преобразователя лазерного излучения. Метод. Алгоритм расчета конструктивных параметров пары оптических поверхностей свободной формы основан на одновременной трассировке лучей в прямом и обратном ходе путем модификации метода геометрического отображения лучей. Основные результаты. Показано, что реализованный алгоритм работает достаточно эффективно при большом расстоянии между компонентами. Рассчитанная модель преобразователя обладает остаточной поперечной аберрацией Dyўmax < 0,82 мрад, среднеквадратическое отклонение распределения интенсивности выходного излучения от требуемого составляет не более 1% при допуске на формообразование преломляющих поверхностей 0,05 мкм. Эффективная длина сохранения выходного пучка — до 50 мм. Практическая значимость. Разработанный алгоритм синтеза оптической системы лазерного преобразователя использует задаваемое распределение интенсивности излучения на входной и выходной целевых поверхностях, он может применяться для проектирования преобразователей лазерного излучения, формирующих различные профили распределения интенсивности, что подтверждает его универсальность.

Ключевые слова: преобразователь лазерного излучения, оптические поверхности свободной формы, моделирование оптических систем, геометрическое отображение лучей, сплайны

Ссылка для цитирования: Терло Я.В., Вознесенская А.О. Моделирование фокального преобразователя лазерного пучка методом геометрического отображения лучей // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 5. С. 29–40. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-29-40

Коды OCIS: 080.0080, 080.4225, 140.0140, 080.1753

 

Modeling of the focal-pishaper with the ray-mapping method

Yan V. Terlo1*, Anna O. Voznesenskaya2

ITMO University, St. Petersburg, Russia

1vespasian1999@gmail.com       https://orcid.org/0000-0002-2768-8832 

2voznesenskaya@itmo.ru http://orcid.org/0000-0002-4074-4341

Abstract

Subject of study. modified ray mapping method for the synthesis of two-component shaper. These shapers are used to obtain a uniform intensity flat-top profile. Aim of study. Development and approbation of an algorithm for the method of simultaneous synthesis of a pair of a two-component laser radiation Focal-piShaper. Method. The algorithm for calculating the design parameters of a pair of freeform optical surfaces is based on simultaneous ray tracing in the forward and reverse directions by modifying the ray-mapping method. Main results. It is shown that the implemented algorithm works efficiently enough with a large distance between the components. The calculated model of the beam-shaper has a residual transverse aberration Dyўmax < 0.82 mrad, the mean-square deviation of the intensity distribution of the output radiation from the required one is no more than 1% for the refractive surface tolerance equal to 0.05 µm. The effective conservation length of the output beam is up to 50 mm. Practical significance. The developed algorithm for the synthesis of the optical system of the laser Focal-piShaper uses a preset distribution of radiation intensity on the input and output target surfaces, can be used to design laser beam-shapers forming various intensity distribution profiles, that confirms its versatility.

Keywords: laser beam-shaper, freeforms, optical system design, ray-mapping method, splines

For citation: Terlo Y.V., Voznesenskaya A.O. Modeling of the focal-pishaper with the ray-mapping method  [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 5. P. 29–40. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-29-40

OCIS сodes: 080.0080, 080.4225, 140.0140, 080.1753

 

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1.    Wagno A.B., KyungOe K. Characterization of laser beams: Theory and application in laser-assisted bonding process // Opt. Eng. 2021. V. 60. № 6. P. 19. https://doi.org/10.1117/1.OE.60.6.060801

2.   Flamm D., Grossmann G.D., Sailer M., et al. Structured light for ultrafast laser micro- and nanoprocessing // Opt. Eng. 2021. V. 60. № 2. P. 25 https://doi.org/10.1117/1.OE.60.2.025105

3.   Wolfram R. Lasers for industrial production processing: Tailored tools with increasing flexibility // Proc. SPIE. 2012. V. 8239. P. 8. https://doi.org/10.1117/12.906643

4.   Gajda J., Romaniuk S.R. Laser technology 2018: Progress and applications of lasers // Thirteenth Symp. Laser Technol. Jastarnia, Poland. September 24–28, 2018. 20 p.

5.   Laskin A.V., Laskin V.V. Variable beam shaping with using the same field mapping refractive beam shaper // Proc. SPIE. 2012. V. 8236 P. 9. https://doi.org/10.1117/12.903606

6.   Ласкин А.В., Ромашова В.Б., Болт С.А., Буров Н.В. Формирователи профиля интенсивности лазерных пучков // Фотоника. 2018. Т. 12. № 2(70). С. 178–190. https://doi.org/10.22184/1993-7296.2018.70.2.178.190

7.    Romero L.A., Dickey F.M. Lossless laser beam shaping // JOSA A. 2000. V. 13. № 4. P. 751–760. https://doi.org/10.1364/JOSAA.13.000751

8.   Dickey F.M., Holswade S.C. Laser beam shaping: Theory and techniques. N.Y.: Marcel Dekker, 2000. 427 p.

9.   Laskin A.V., Laskin V.V., Ostrun A.B. Refractive beam shapers for optical systems of lasers // Proc. SPIE. 2015. V. 9346 P. 10. https://doi.org/10.1117/12.2080864

10. Laskin A.V., Šiaulys N., Šlekys G., Laskin V.V. Beam shaping unit for micromachining // Proc. SPIE. 2013. V. 8843. P. 18. https://doi.org/10.1117/12.2025985

11.  Edmund Optics Beam Shapers. Каталог товаров [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.edmundoptics.com/f/flat-top-beam-shapers/ (дата обращения 20.10.2022).

12.  Laskin A.V., Laskin V.V. Refractive beam shapers for material processing with high power single mode and multimode lasers // Proc. SPIE. 2013. V. 8600. P. 11. https://doi.org/10.1088/1742-6596/276/1/012171

13.  Goodman J.W. Introduction to Fourier optics. N.Y.: McGraw-Hill, 1996. 491 p.

14.  Smith W.J. Modern optical engineering. N.Y.: McGraw-Hill, 2000. 641 p.

15.  Laskin A.V., Laskin V.V. Beam shaping to generate uniform laser light sheet and linear laser spots // Proc. SPIE. 2013. V. 8843. P. 12. https://doi.org/10.1117/12.2021459

16.  Nikolov D.K., Bauer A., Cheng F., et al. Metaform optics: Bridging nanophotonics and freeform optics // Sci. Advances. 30 Apr. 2021. V. 7. № 18. https://doi.org/10.1126/sciadv.abe5112

17.  Kochengin S. and Oliker V. Determination of reflector surfaces from near-field scattering data // Inverse Problems. 1997. V. 13. № 2. P. 363–373. https://doi.org/10.1088/0266-5611/13/2/011

18. Brix K., Hafizogullari Y., Platen A. Solving the Monge–Ampère equations for the inverse reflector problem // Mathematical Models and Methods in Appl. Sci. 2015. V. 25. № 5. P. 803–837. https://doi.org/10.1142/S0218202515500190

19.  Brix K., Hafizogullari Y., Platen A. Designing illumination lenses and mirrors by the numerical solution of Monge–Ampere equations // JOSA A. 2015. V. 32. № 11. P. 2227–2236. https://doi.org/10.1364/JOSAA.32.002227

20. Boonkkamp J.H., Thije M., Romijn L.B., et al. Generalized Monge–Ampère equations for illumination freeform design // Proc. SPIE. 2019. V. 1118504. P. 19. https://doi.org/10.1117/12.2536482

21.  Rengmao Wu, Peng Liu, Yaqin Zhang, et al. A mathematical model of the single freeform surface design for collimated beam shaping // Opt. Exp. 2013. V. 21. № 18. P. 16. https://doi.org/10.1364/OE.21.020974

22. Wendel S., Kurz J., Neumann C. Optimizing nonimaging freeform optics using freeform deformation // Optical Systems Design 2012. Barcelona, Spain. November 26–29, 2012. P. 145–151.

23. Benítez P., Miñano J.C., Blen J., et al. Simultaneous multiple surface optical design method in three dimensions // Opt. Eng. 2004. V. 43. № 7. P. 1489–1501. https://doi.org/10.1117/1.1752918

24. Elmer W.B. The optical design of reflectors. 2nd ed. N.Y.: Wiley, 1980. 290 p.

25. Parkin W.A. Illumination lenses designed by extrinsic differential geometry // Proc. SPIE. 1998. Kona, HI, United States. https://doi.org/10.1117/12.322042

26. Voznesenskaya A., Mazur I., Krizskiy P. Synthesis of freeform refractive surfaces forming various radiation patterns using interpolation // Proc. SPIE. Nonimaging Optics: Efficient Design for Illumination and Solar Concentration XIV, 103790C. September 7, 2017. https://doi.org/10.1117/12.2273196

27. Мазур Я.В. Разработка компенсаторов волнового фронта на основе поверхностей свободной формы для контроля асферических зеркал // Дис. канд. техн. наук. Национальный исследовательский университет ИТМО, Санкт-Петербург. 2022. 221 с.

28. Bäuerle A., Bruneton A., Wester R., et al. Algorithm for irradiance tailoring using multiple freeform optical surfaces // Opt. Exp. 2012. V. 20. № 13. P. 14477–14485. https://doi.org/10.1364/OE.20.014477

29. Mao X., Li H., Han Y., Luo Y. Polar-grids based source-target mapping construction method for designing freeform illumination system for a lighting target with arbitrary shape // Opt. Exp. 2015. V. 23.  № 4. P. 4313–4328. https://doi.org/10.1364/OE.23.004313

30. Bruneton A., Bäuerle A., Wester R., et al. Limitations of the ray mapping approach in freeform optics design // Opt. Lett. 2013. V. 38. № 11. P. 1945–1947. https://doi.org/10.1364/OL.38.001945

31.  Родионов С.А. Автоматизация проектирования оптических систем. Л.: Машиностроение, 1982. 270 с.

32. Мазур Я.В., Вознесенская А.О. Синтез оптических поверхностей свободной формы с использованием нейронных сетей // Оптичeский журнал. 2022. Т. 89. № 2. С. 36–42. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-02-36-42

33. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений. 2-е изд. Л.: Физматгиз, 1962. 336 с.

34. Грищенко Н.В., Семериков С.А., Хараджян А.А. и др. Сравнительный анализ методов аппроксимации. Кривой Рог: Криворожский госуд. педагогический ин-т, 1998. 26 с.

35. ZEMAX 13. Optical Design Program. User’s Manual. June 24, 2015. 805 p.

36.      Piegl L., Tiller W. The NURBS Book. 2nd ed. Berlin: Springer, 1997. 646 p.

 

References

1.    Wagno A.B., KyungOe K. Characterization of laser beams: Theory and application in laser-assisted bonding process // Opt. Eng. 2021. V. 60. № 6. P. 19. https://doi.org/10.1117/1.OE.60.6.060801

2.   Flamm D., Grossmann G.D., Sailer M., et al. Structured light for ultrafast laser micro- and nanoprocessing // Opt. Eng. 2021. V. 60. № 2. P. 25 https://doi.org/10.1117/1.OE.60.2.025105

3.   Wolfram R. Lasers for industrial production processing: Tailored tools with increasing flexibility // Proc. SPIE. 2012. V. 8239. P. 8. https://doi.org/10.1117/12.906643

4.   Gajda J., Romaniuk S.R. Laser technology 2018: Progress and applications of lasers // Thirteenth Symp. Laser Technol. Jastarnia, Poland. September 24–28, 2018. 20 p.

5.   Laskin A.V., Laskin V.V. Variable beam shaping with using the same field mapping refractive beam shaper // Proc. SPIE. 2012. V. 8236 P. 9. https://doi.org/10.1117/12.903606

6.   Laskin A.V., Romashova V.B., Bolt S.A., Burov N.V. Laser beam intensity profile shapers [in Russian] // Photonics. 2018. V. 12. № 2(70). P. 178–190. https://doi.org/10.22184/1993-7296.2018.70.2.178.190

7.    Romero L.A., Dickey F.M. Lossless laser beam shaping // JOSA A. 2000. V. 13. № 4. P. 751–760. https://doi.org/10.1364/JOSAA.13.000751

8.   Dickey F.M., Holswade S.C. Laser beam shaping: Theory and techniques. N.Y.: Marcel Dekker, 2000. 427 p.

9.   Laskin A.V., Laskin V.V., Ostrun A.B. Refractive beam shapers for optical systems of lasers // Proc. SPIE. 2015. V. 9346 P. 10. https://doi.org/10.1117/12.2080864

10. Laskin A.V., Šiaulys N., Šlekys G., Laskin V.V. Beam shaping unit for micromachining // Proc. SPIE. 2013. V. 8843. P. 18. https://doi.org/10.1117/12.2025985

11.  Edmund Beam Shapers. Catalog of goods [Electronic resource].  Access Mode: https://www.edmundoptics.com/f/flat-top-beam-shapers/ (date of the application 20.10.2022).

12.  Laskin A.V., Laskin V.V. Refractive beam shapers for material processing with high power single mode and multimode lasers // Proc. SPIE. 2013. V. 8600. P. 11. https://doi.org/10.1088/1742-6596/276/1/012171

13.  Goodman J.W. Introduction to Fourier optics. N.Y.: McGraw-Hill, 1996. 491 p.

14.  Smith W.J. Modern optical engineering. N.Y.: McGraw-Hill, 2000. 641 p.

15.  Laskin A.V., Laskin V.V. Beam shaping to generate uniform laser light sheet and linear laser spots // Proc. SPIE. 2013. V. 8843. P. 12. https://doi.org/10.1117/12.2021459

16.  Nikolov D.K., Bauer A., Cheng F., et al. Metaform optics: Bridging nanophotonics and freeform optics // Sci. Advances. 30 Apr. 2021. V. 7. № 18. https://doi.org/10.1126/sciadv.abe5112

17.  Kochengin S. and Oliker V. Determination of reflector surfaces from near-field scattering data // Inverse Problems. 1997. V. 13. № 2. P. 363–373. https://doi.org/10.1088/0266-5611/13/2/011

18. Brix K., Hafizogullari Y., Platen A. Solving the Monge–Ampère equations for the inverse reflector problem // Mathematical Models and Meth-ods in Appl. Sci. 2015. V. 25. № 5. P. 803–837. https://doi.org/10.1142/S0218202515500190

19.  Brix K., Hafizogullari Y., Platen A. Designing illumination lenses and mirrors by the numerical solution of Monge–Ampere equations // JOSA A. 2015. V. 32. № 11. P. 2227–2236. https://doi.org/10.1364/JOSAA.32.002227

20. Boonkkamp J.H., Thije M., Romijn L.B., et al. Generalized Monge–Ampère equations for illumination freeform design // Proc. SPIE. 2019. V. 1118504. P. 19. https://doi.org/10.1117/12.2536482

21.  Rengmao Wu, Peng Liu, Yaqin Zhang, et al. A mathematical model of the single freeform surface design for collimated beam shaping // Opt. Exp. 2013. V. 21. № 18. P. 16. https://doi.org/10.1364/OE.21.020974

22. Wendel S., Kurz J., Neumann C. Optimizing nonimaging freeform optics using freeform deformation // Optical Systems Design 2012. Barcelona, Spain. November 26–29, 2012. P. 145–151.

23. Benítez P., Miñano J.C., Blen J., et al. Simultaneous multiple surface optical design method in three dimensions // Opt. Eng. 2004. V. 43. № 7. P. 1489–1501. https://doi.org/10.1117/1.1752918

24. Elmer W.B. The optical design of reflectors. 2nd ed. N.Y.: Wiley, 1980. 290 p.

25. Parkin W.A. Illumination lenses designed by extrinsic differential geometry // Proc. SPIE. 1998. Kona, HI, United States. https://doi.org/10.1117/12.322042

26. Voznesenskaya A., Mazur I., Krizskiy P. Synthesis of freeform refractive surfaces forming various radiation patterns using interpolation // Proc. SPIE. Nonimaging Optics: Efficient Design for Illumination and Solar Concentration XIV, 103790C. September 7, 2017. https://doi.org/10.1117/12.2273196

27. Mazur Ya.V. Development of wavefront compensators based on freeform surfaces for testing of aspherical mirrors // Academic Dissert. Сandidate of Engineering. (PhD thesis). National Research University ITMO, St. Petersburg. 2022. 221 p.

28. Bäuerle A., Bruneton A., Wester R., et al. Algorithm for irradiance tailoring using multiple freeform optical surfaces // Opt. Exp. 2012. V. 20. № 13. P. 14477–14485. https://doi.org/10.1364/OE.20.014477

29. Mao X., Li H., Han Y., Luo Y. Polar-grids based source-target mapping construction method for designing freeform illumination system for a lighting target with arbitrary shape // Opt. Exp. 2015. V. 23.  № 4. P. 4313–4328. https://doi.org/10.1364/OE.23.004313

30. Bruneton A., Bäuerle A., Wester R., et al. Limitations of the ray mapping approach in freeform optics design // Opt. Lett. 2013. V. 38. № 11. P. 1945–1947. https://doi.org/10.1364/OL.38.001945

31.  Rodionov S.A. Automation design of optical systems [in Russian]. Leningrad: Mashinostroenie Publisher, 1982. 270 p.

32. Mazur Ya.V., Voznesenskaya A.O. Synthesis of freeform optical surfaces using neural networks // J. Opt. Technol. 2022. V. 89. № 2. P. 89–93. https://doi.org/10.1364/JOT.89.000089

33. Linnik Y.V. The method of least squares and the foundations of math-statistical theory observation processing [in Russian]. 2nd ed. Leningrad: Physmathgis Publisher, 1962. 336 p.

34. Grishchenko N.V., Semerikov S.A., Kharadzhyan A.A., et al. Comparative analysis of approximation methods [in Russian]. Krivoy Rog: Krivoy Rog State Pedagogical Institute, 1998. 26 p.

35. ZEMAX 13. Optical Design Program. User’s Manual. June 24, 2015. 805 p.

36.      Piegl L., Tiller W. The NURBS Book. 2nd ed. Berlin: Springer, 1997. 646 p.