Мультиплицирование гауссова пучка многосекторной бинарной фазовой пластиной в скалярные вихревые пучки для лазерной микрообработки

Шкуратова В.А., Костюк Г.К., Петров А.А., Степанюк Д.С., Нестеров Н.А., Сеннов А.А.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Шкуратова В.А., Костюк Г.К., Петров А.А., Степанюк Д.С., Нестров Н.А., Сеннов А.А. Мультиплицирование гауссова пучка многосекторной бинарной фазовой пластиной в скалярные вихревые пучки для лазерной микрообработки // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 5. С. 93–103. http:doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-93-103

Shkuratova V.A., Kostyuk G.K., Petrov A.A., Stepanyuk D.S., Nesterov N.A., Sennov A.A. Multiplexing of Gaussian beam by multisector binary phase plate into scalar vortex beams for laser processing [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 5. P. 93–103. http:doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-93-103

Ссылка на англоязычную версию:

V. A. Shkuratova, G. K. Kostyuk, A. A. Petrov, D. S. Stepanyuk, N. A. Nesterov, and A. A. Sennov, "Multiplication of a Gaussian beam by a multisector binary phase plate into scalar vortex beams for laser microprocessing," Journal of Optical Technology. 90(5), 282-288 (2023)

Аннотация:

Предмет исследования. Метод мультиплицирования гауссовых лазерных пучков в скалярные вихревые пучки с применением многосекторных бинарных фазовых пластин, способный повысить скорость и производительность лазерной микрообработки. Цель работы — применение технологии структурирования прозрачных диэлектриков лазерно-индуцированной микроплазмой для изготовления многосекторных бинарных фазовых пластин на плавленом кварце. Методология проведения работы. Многосекторные бинарные фазовые пластины на плавленом кварце с 4, 6 и 10 секторами с уровнями фазы 0 и p для работы на длине волны излучения 1,06 мкм были изготовлены на экспериментальной установке, реализующей технологию структурирования лазерно-индуцированной микроплазмой. Для очистки поверхности и уменьшения шероховатости пластин в области воздействия лазерно-индуцированной микроплазмы применялся дополнительный отжиг в печи. Изготовленные многосекторные бинарные фазовые пластины были протестированы при регистрации формируемых распределений интенсивности камерой с фоточувствительной матрицей в плоскости повышенного контраста и при лазерной абляции стальных образцов. Для оценки эффективности конверсии энергии пластин были проведены измерения энергии исходного лазерного пучка и энергии пучка на выходе пластин. Основные результаты. Изготовленные пластины осуществляют мультиплицирование гауссова пучка в серию световых пятен, окружающих область с нулевой интенсивностью, с равной интенсивностью (среднеквадратическое отклонение менее 1%), одинаковыми диаметрами пятен (среднеквадратическое отклонение не более 5%) и высокой эффективностью конверсии энергии (около 92%). Практическая значимость. Изготовленные с применением технологии структурирования лазерно-индуцированной микроплазмой многосекторные бинарные фазовые пластины обладают реальной перспективой использования в области лазерной микрообработки материалов.

Ключевые слова:

многосекторные бинарные фазовые пластины, мультиплицирование гауссова пучка, скалярные вихревые пучки, лазерная микрообработка, лазерно-индуцированная микроплазма

Коды OCIS: 220.4610, 230.4000, 050.4865, 050.5080

Список источников:

Tang Y., Perrie W., Sierra D.R., et al. Laser material interactions of high-quality ultrashort pulsed vector vortex beams // Micromachines. 202 V. 12. № 4. P. 376. https:doi.org/10.3390/mi12040376
Tang Y., Perrie W., Schille J., et al. High-quality vector vortex arrays by holographic and geometric phase control // J. Phys. D: Appl. Phys. 2020. V. 53. № 46. P. 465101. https:doi.org/10.1088/1361-6463/ab9d9b
Pavlov D., Syubaev S., Cherepakhin A., et al. Ultrafast laser printing of self-organized bimetallic nanotextures for multi-wavelength biosensing // Sci. Rep. 2018. V. 8. № 1. P. 1–10. https:doi.org/10.1038/s41598-018-34784-y
Kudryashov S.I., Danilov P.A., Porfirev A.P., et al. High-throughput micropatterning of plasmonic surfaces by multiplexed femtosecond laser pulses for advanced IR-sensing applications // Appl. Surf. Sci. 2019. V. 48 P. 948–956. https:doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.04.048
Kuchmizhak A.A., Porfirev A.P., Syubaev S.A., et al. Multi-beam pulsed-laser patterning of plasmonic films using broadband diffractive optical elements // Opt. Lett. 2017. V. 42. № 14. P. 2838–2841. https:doi.org/10.1364/OL.42.002838
Niziev V.G., Nesterov A.V. Influence of beam polarization on laser cutting efficiency // J. Phys. D: Appl. Phys. 1999. V. 32. № 13. P. 1455. https:doi.org/10.1088/0022-3727/32/13/304
Weber R., Michalowski A., Abdou-Ahmed M., et al. Effects of radial and tangential polarization in laser material processing // Phys. Procedia. 2011. V. 12. P. 21–30. https:doi.org/10.1016/j.phpro.2011.03.004
Allegre O.J., Jin Y., Perrie W., et al. Complete wavefront and polarization control for ultrashort-pulse laser microprocessing // Opt. Exp. 2013. V. 21. № 1 P. 21198–21207. https:doi.org/10.1364/OE.21.021198
Hamazaki J., Morita R., Chujo K., et al. Opticalvortex laser ablation // Opt. Exp. 2010. V. 18. № 3. P. 2144–2151. https:doi.org/10.1364/OE.18.002144

10. Nivas J.J.J., He S., Rubano A., et al. Direct femtosecond laser surface structuring with optical vortex beams generated by a q-plate // Sci. Rep. 2015. V. 5. P. 17929. https:doi.org/10.1038/srep17929

11. Porfirev A.P., Khonina S.N., Ivliev N.A., et al. Polarization-sensitive patterning of azopolymer thin films using multiple structured laser beams // Sensors. 2023. V. 23. № 1. P. 112. https:doi.org/10.3390/s23010112

12. Khonina S.N., Karpeev S.V., Porfirev A.P. Sector sandwich structure: An easy-to-manufacture way towards complex vector beam generation // Opt. Exp. 2020. V. 28. № 19. P. 27628–27643. https:doi.org/10.1364/OE.398435

13. Liu S., Qi S., Zhang Y., et al. Highly efficient generation of arbitrary vector beams with tunable polarization, phase, and amplitude // Photonics Res. 2018. V. 6. № 4. P. 228–233. https:doi.org/10.1364/PRJ.6.000228

14. Ndagano B., Nape I., Cox M.A., et al. Creation and detection of vector vortex modes for classical and quantum communication // J. Lightwave Technol. 2018. V. 36. № 2. P. 292–301. https:doi.org/10.1109/JLT.2017.2766760

15. Chen R.-P., Chen Z., Chew K.-H., et al. Structured caustic vector vortex optical field: Manipulating optical angular momentum flux and polarization rotation // Sci. Rep. 2015. V. 5. P. 10628. https:doi.org/10.1038/srep10628

16. Pereira A., Sousa M., Almeida A.C., et al. Coherent-hybrid STED: High contrast sub-diffraction imaging using a bi-vortex depletion beam // Opt. Exp. 2019. V. 27. № 6. P. 8092–8111. https:doi.org/10.1364/OE.27.008092

17. Chabrol G.R., Ciceron A., Twardowski P., et al. Investigation of diffractive optical element femtosecond laser machining // Appl. Surf. Sci. 2016. V. 374. P. 375–378. https:doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.01.079

18. Hayasaki Y., Sugimoto T., Takita A., Nishida N. Variable holographic femtosecond laser processing by use of a spatial light modulator // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 87. P. 031101. https:doi.org/10.1063/1.1992668

19. Zou H., Zhu W.H., Gong J.F., et al. The study of various Dammann grating / in Proc. SOPO. 2010. P. 1–4. https:doi.org/10.1109/SOPO.2010.5504438

20. Li J., Zhang F., Pu M., et al. Quasi-continuous metasurface beam splitters enabled by vector iterative Fourier transform algorithm // Materials. 2021. V. 14. № 4. P. 1022. https:doi.org/10.3390/ma14041022

21. Beck R.J., Party P.J., MacPherson W.N., et al. Application of cooled spatial light modulator for high power nanosecond laser micromachining // Opt. Exp. 2010. V. 18. № 16. P. 17059–17065. https:doi.org/10.1364/OE.18.017059

22. Pavlov D., Gurbatov S., Kudryashov S.I., et al. 10-million-elements-per-second printing of infrared-resonant plasmonic arrays by multiplexed laser pulses // Opt. Lett. 2019. V. 44. № 2. P. 283–286. https:doi.org/10.1364/OL.44.000283

23. Zhou L., Jiang Y., Zhang P., et al. Directly writing binary multi-sector phase plates on fused silica using femtosecond laser // High Power Laser Sci. and Eng. 2018. V. 6. P. e6. https:doi.org/10.1017/hpl.2018.1

24. Pavlov D., Porfirev A., Khonina S., et al. Coaxial hole array fabricated by ultrafast femtosecond-laser processing with spatially multiplexed vortex beams for surface enhanced infrared absorption // Appl. Surf. Sci. 2021. V. 541. P. 148602. https:doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.148602

25. Khonina S.N., Ustinov A.V., Fomchenkov S.A., et al. Formation of hybrid higher-order cylindrical vector beams using binary multisector phase plates // Sci. Rep. 2018. V. 8. № 1. P. 1–11. https:doi.org/10.1038/s41598-018-32469-0

26. Kostyuk G.K., Shkuratova V.A., Petrov A.A., et al. Multisector binary phase plates on fused silica for generation of optical vortex beams superposition: Fabrication, characterization, and applications // Opt. Laser Technol. 2022. V. 152. P. 108161. https:doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108161

27. Kazanskiy N.L., Khonina S.N., Karpeev S.V., et al. Diffractive optical elements for multiplexing structured laser beams // Quantum Elec. 2020. V. 50. № 7. P. 629. https:doi.org/10.1070/QEL17276

28. Khonina S.N., Degtyarev S.A., Porfirev A.P., et al. Study of focusing into closely spaced spots at illuminating diffractive optical element by short pulse laser beam // Comput. Opt. 2015. V. 39. № 2. P. 187–196. https:doi.org/10.18287/0134-2452-2015-39-2-187-196

29. Larkin A.S., Pushkarev D.V., Degtyarev S.A., et al. Generation of Hermite–Gaussian modes of high-power femtosecond laser radiation using binary-phase diffractive optical elements // Quantum Elec. V. 46. № 8. P. 733–737. https:doi.org/10.1070/QEL16114

30. Kostyuk G.K., Sergeev M.M., Zakoldaev R.A., et al. Fast microstructuring of silica glasses surface by NIR laser radiation // Opt. Lasers Eng. 2015. V. 68. P. 16–24. https:doi.org/10.1016/j.optlaseng.2014.12.004

31. Kostyuk G.K., Zakoldaev R.A., Koval V.V., et al. Laser microplasma as a tool to fabricate phase grating applied for laser beam splitting // Opt. Lasers Eng. 2017. V. 92. P. 63–69. https:doi.org/10.1016/j.optlaseng.2016.12.013

32. Shkuratova V., Kostyuk G., Sergeev M., et al. Rapid fabrication of spiral phase plate on fused silica by laser-induced microplasma // Appl. Phys. B: Lasers and Opt. 2020. V. 126. № 4. P. 1–6. https:doi.org/10.1007/s00340-020-7410-x

33. Veiko V.P., Volkov S.A., Zakoldaev R.A., et al. Laser-induced microplasma as a tool for microstructuring transparent media // Quantum Elec. 2017. V. 47. № 9. P. 842–848. https:doi.org/10.1070/QEL16377

34. Veiko V.P., Metev S.M., Kaidanov A.I., et al. Two-phase mechanism of laser-induced removal of thin absorbing films. I. Theory // J. Phys. D: Appl. Phys. 1980. V. 13. № 8. P. 1565. https:doi.org/10.1088/0022-3727/13/8/026

35. Khonina S.N., Volotovsky S.G. Controlling the contribution of the electric field components to the focus of a high-aperture lens using binary phase structures // JOSA A. 2010. V. 27. № 10. P. 2188–2197. https:doi.org/10.1364/JOSAA.27.002188

36. Khonina S.N. Simple phase optical elements for narrowing of a focal spot in high-numerical-aperture conditions // Opt. Eng. 2013. V. 52. № 9. P. 091711. https:doi.org/10.1117/1.OE.52.9.091711

37. Vickers J., Burch M., Vyas R., et al. Phase and interference properties of optical vortex beams // JOSA A. 2008. V. 25. № 3. P. 823–827. https:doi.org/10.1364/JOSAA.25.000823

38. Борн М., Вольф Э. Основы оптики / 2-е изд. Пер. с англ. Бреуса С.Н., Головашкина А.И., Шубина А.А. Под ред. Мотулевич Г.П. / М.: Наука, 1973. 720 с.

Born M., Wolf E. Principles of optics. London, N.Y., Paris: Pergamon Press Publ., 1970. 808 p.

39. Костюк Г.К., Степанюк Д.С., Шкуратова В.А. и др. Влияние структурирования плавленого кварца лазерно-индуцированной микроплазмой и очистки на функционирование многосекторных бинарных фазовых пластин // Известия вузов. Приборостроение. 2022. Т. 65. № 10. С. 747–762. https:doi.org/10.17586/0021-3454-2022-65-10-747-762

Kostyuk G.K., Stepanyuk D.S., Shkuratova V.A., et al. Influence of structuring of fused quartz by laser-induced microplasma and cleaning on the functioning of multisector binary phase plates [in Russian] // Izvestiya of higher educational institutions. Instrumentation. 2022. V. 65. № 10. Р. 747–762.