en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-05-29-40
УДК: 535.015
Моделирование фокального преобразователя лазерного пучка методом геометрического отображения лучей
Полный текст на elibrary.ru
Публикация в Journal of Optical Technology
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.
преобразователь лазерного излучения, оптические поверхности свободной формы, моделирование оптических систем, геометрическое отображение лучей, сплайны
Коды OCIS: 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.