en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2026-93-11-85-96
УДК: 535.41, 535.42, 535.43
Маловозмущающее детектирование волнового фронта методом внеосевой выборки с использованием метаповерхности для мониторинга пучка in-situ
Liu X., Yan F., Liu C., Wang Yu, Meng X., Petrov N.V., Li L., Tian H. Wavefront detection method by off-axis sampling with metasurface for non-intercepting in-situ beam monitoring [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 11. P. 85–96. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-11-85-96
Liu X., Yan F., Liu C., Wang Yu, Meng X., Petrov N.V., Li L., Tian H. Wavefront detection method by off-axis sampling with metasurface for non-intercepting in-situ beam monitoring (Маловозмущающее детектирование волнового фронта методом внеосевой выборки с использованием метаповерхности для мониторинга пучка in-situ) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 11. С. 85–96. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-11-85-96
Предмет исследования. Схема детектирования волнового фронта с применением метаповерхности при внеосевой выборке, позволяющая разрешить характерный для традиционных схем парадокс между высокоточным измерением волнового фронта и беспрепятственной доставкой основного пучка. Цель работы. Реализация высокоточного, устойчивого метода мониторинга волнового фронта in-situ, вносящего сверхнизкие возмущения в основной пучок. Метод. Для выборки используется метаповерхность, принцип действия которой основан на эффекте геометрической фазы (фазы Панчаратнама–Берри). Локальный наклон волнового фронта определяется через приближение малых углов обобщенного закона Снеллиуса, а распределение фазы по полной апертуре восстанавливается посредством одномерного радиального внеосевого сканирования и аппроксимации данных. Основные результаты. Достигнуто детектирование волнового фронта с извлечением менее 0,1% полной энергии пучка. Восстановленная фаза характеризуется коэффициентом аппроксимации 0,998, среднеквадратической погрешностью 0,0243, погрешностями определения положения перетяжки пучка менее 1% и измерения угла расходимости до 10–4 рад. Практическая значимость. Предложенный метод представляет собой надежное решение для оперативной диагностики оптических систем в реальном времени и контроля качества лазерной обработки.
обнаружение волнового фронта, метаповерхность, внеосевая выборка, фаза Панчаратнама–Берри, неперехватывающий мониторинг
Благодарность:работа выполнена при поддержке Национального фонда естественных наук Китая (гранты № 62475061 и № 12474082), Фонда естественных наук провинции Хэйлунцзян (грант № YQ2023A005) и Национальной ключевой лаборатории лазерной пространственной информации (грант № LSI2024WDZC08). Научный вклад Н.В. Петрова был поддержан Российским научным фондом в рамках проекта № 26-12-00289.
Коды OCIS: 010.7350, 160.4236, 310.6628
Список источников:1. Nie Y., Zhang J., Su R., et al. Freeform optical system design with differentiable three-dimensional ray tracing and unsupervised learning // Opt. Exp. 2023. V. 31. P. 7450. doi: 10.1364/oe.484531.
2. Reztsov T.V., Chernykh A.V., Ezerskii A.S., et al. Polarization holographic monitoring for laser treatment diffractive optical elements and metasurfaces fabrication in functional materials photonics // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2025. V. 89. P. S523–S533. doi: 10.1134/s1062873825714898.
3. Yang J.-Q., Lin Q., Wang L.-L., et al. Research of bound states in the continuum and their polarization control in dielectric metamaterials // Phys. Scr. 2025. V. 100. P. 065551. doi: org/10.1088/1402-4896/addaff.
4. Sanmukh Kaur, Vishakha Tyagi, Anurupa Lubana. Performance optimization of inter-satellite optical wireless system using linearly polarized modes (Оптимизация производительности межспутниковой оптической беспроводной системы с использованием линейно поляризованных мод) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 10. С. 39–49. doi: org/10.17586/1023-5086-2021-88-10-39-49.
Kaur S., Tyagi V., Lubana A. Performance optimization of an intersatellite optical wireless system using linearly polarized modes // J. Opt. Technol. 2021. V. 88. P. 579. doi: 10.1364/jot.88.000579.
5. Трофимов В.А., Варенцова С.А. Новые возможности для измерений формы импульса или профиля пучка лазерного излучения // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 6. С. 65–70.
Trofimov V.A., Varentsova S.A. New possibilities for measuring a pulse shape or a laser-radiation beam profile // J. Opt. Technol. 2008. V. 75. P. 396. doi: 10.1364/jot.75.000396.
6. Huang X., Lin Q., Xia S.-X., et al. Dynamic polarization control of strongly coupled quasi-guided modes enables high-efficiency thg // Opt. Exp. 2025. V. 33. P. 48707. doi: 10.1364/oe.576082.
7. Mirzaeian H., Manjooran S., Major A. A simple technique for accurate characterization of thermal lens in solid state lasers // Proc. SPIE. 2014. P. 928802. doi: 10.1117/12.2075117.
8. Inada Y., Matsuoka S., Kumada A., et al. Highly sensitive Shack–Hartmann sensor for two-dimensional electron density imaging over extinguishing arc discharges // Meas. Sci. Technol. 2014. V. 25. № 5. P. 055201. doi: 10.1088/0957-0233/25/5/055201.
9. Go G., Lee D., Oh J., et al. Meta shack–hartmann wavefront sensor with large sampling density and large angular field of view: phase imaging of complex objects // Light Sci. Appl. 2024. V. 13. doi: 10.1038/s41377-024-01528-9.
10. Yura H.T., Hanson S.G. Optical beam wave propagation through complex optical systems // JOSA. A. 1987. V. 4. P. 1931. doi: 10.1364/JOSAA.4.001931.
11. Yang R., Li J., Song X., et al. Experimental realization of a 2ґ2 polarization-independent split-ratio-tunable optical beam splitter // Opt. Exp. 2016. V. 24. P. 28519. doi: 10.1364/oe.24.028519.
12. Zhao H.-M., Wang X.-Y., Lin Q., et al. High-efficiency control of cross-polarization conversion at communication wavelengths using a tunable borophene-plasmonic metasurface // J. Phys. D: Appl. Phys. 2026. V. 59. P. 025105. doi: 10.1088/1361-6463/ae2ee2.
13. Wang R., Intaravanne Y., Li S., et al. Metalens for generating a customized vectorial focal curve // Nano Lett. 2021. V. 21. P. 2081–2087. doi: 10.1021/acs.nanolett.0c04775.
14. Li Y., Ansari M.A., Ahmed H., et al. Cascading multispectral polarization cages // Npj Nanophotonics. 2025. V. 2. doi: org/10.1038/s44310-025-00056-7.
15. Wang R., Ren G., Ren Z., et al. Reconstructing subwavelength resolution terahertz holographic images // Opt. Exp. 2022. V. 30. P. 7137. doi: 10.1364/oe.453634.
16. Park Y., Kim D., Rho J. Nanoimprint lithography for scalable manufacturing of optical metasurfaces // Opt. Photonics Res. 2025. V. 1. P. 0001. doi: 10.55092/opr20250001.
17. Yu N., Genevet P., Kats M.A., et al. Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction // Science. 2011. V. 334. P. 333–337. doi: 10.1126/science.1210713.
18. Liu H., Vinu R.V., Chen K., et al. Real-time jones matrix synthesis by compact polarization inline holographic microscopy // Laser Photon. Rev. 2024. V. 18. doi: 10.1002/lpor.202301261.
19. Wu X., Cao H., Meng Z., et al. Ultra-broadband pancharatnam-berry phase metasurface for arbitrary rotation of linear polarization and beam splitter // Opt. Exp. 2022. V. 30. P. 15158. doi: 10.1364/oe.456393.
20. Ra’di Y., Sounas D.L., Alù A. Metagratings: beyond the limits of graded metasurfaces for wave front control // Phys. Rev. Lett. 2017. V. 119. P. 1–6. doi: 10.1103/physrevlett.119.067404.