Формирование близкорасположенных световых пятен на основе лазерных зеркальных пучков Эйри
Хонина С.Н.
, Порфирьев А.П., Фомченков С.A., Ларькин А.С., Савельев-Трофимов А.Б.

 

Институт систем обработки изображений РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Самара, Россия,
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, Самара, Россия,

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

Аннотация:
Выполнено сравнительное численное исследование формирования в фокальной плоскости близкорасположенных световых пятен с помощью дифракционных решёток с комплексно сопряжёнными порядками и бинарных оптических элементов, согласованных с модами Эрмита–Гаусса и зеркальными пучками Эйри. Показано, что решётки позволяют формировать набор равномерных световых точек с высокой точностью, но формируемая картина быстро портится при смещении из плоскости фокуса. Пучки Эрмита–Гаусса в соответствии со своими модовыми свойствами обладают высокой устойчивостью к дефокусировке, но распределение интенсивности и размер световых точек в этом случае неравномерные. Зеркальные пучки Эйри представляют собой компромиссный вариант – они имеют более равномерную интенсивность световых пятен, чем моды Эрмита–Гаусса, и в то же время устойчивы к дефокусировке. Эксперименты с перестраиваемым лазером подтвердили упомянутые преимущества зеркальных пучков Эйри по сравнению с модами Эрмита–Гаусса, а также показали хорошую спектральную устойчивость изготовленных дифракционных оптических элементов.

Ключевые слова:
фокусировка в близкорасположенные световые пятна, дифракционный оптический элемент, моды Эрмита–Гаусса, зеркальные пучки Эйри, глубина фокуса, хроматическая дисперсия.

Цитирование:
Хонина, С.Н. Формирование близкорасположенных световых пятен на основе лазерных зеркальных пучков Эйри / С.Н. Хонина, А.П. Порфирьев, С.А. Фомченков, А.С. Ларькин, А.Б. Савельев-Трофимов // Компьютерная оптика. – 2017. – Т. 41, № 5. – С. 661-669. – DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41-5-661-669.

Литература:

  1. Malka, V. Principles and applications of compact laser-plasma accelerators / V. Malka, J. Faure, Y.A. Gauduel, E. Lefebvre, A. Rousse, K.T. Phuoc // Nature Physics. – 2008. – Vol. 4. – P. 447-453. – DOI: 10.1038/nphys966.
  2. Cheng, J. A review of ultrafast laser materials micromachining / J. Cheng, C. Liu, S. Shang, D. Liu, W. Perrie, G. Dearden, K. Watkins // Optics and Laser Technology. – 2013. – Vol. 46. – P. 88-102. – DOI: 10.1016/j.optlas­tec.2012.06.037.
  3. Uryupina, D.S. Femtosecond laser-plasma interaction with prepulse-generated liquid metal microjets / D.S. Uryupina, K.A. Ivanov, A.V. Brantov, A.B. Savel'ev, V.Yu. Bychenkov, M.E. Povarnitsyn, R.V. Volkov, V.T. Tikhonchuk // Physics of Plasmas. – 2012. – Vol. 19, Issue 1. – 013104 (8 p.). – DOI: 10.1063/1.3675871.
  4. Lar'kin, A. Microjet formation and hard x-ray production from a liquid metal target irradiated by intense femtosecond laser pulses / A. Lar'kin, D. Uryupina, K. Ivanov, A. Savel'ev, T. Bonnet, F. Gobet, F. Hannachi, M. Tarisien, M. Versteegen, K. Spohr, J. Breil, B. Chimier, F. Dorchies, C. Fourment, P.-M. Leguay, V.T. Tikhonchuk // Physics of Plasmas. – 2014. – Vol. 21, Issue 9. – 093103 (7 p.). – DOI: 10.1063/1.4894099.
  5. Алфёров, С.В. О возможности управления лазерной абляцией при острой фокусировке фемтосекундного излучения / С.В. Алфёров, С.В. Карпеев, С.Н. Хонина, К.Н. Тукмаков, О.Ю. Моисеев, С.А. Шуляпов, К.А. Иванов, А.Б. Савельев-Трофимов // Квантовая электроника. – 2014. – Т. 44, № 11. – С. 1061-1065.
  6. Hayasaki, Y. Variable holographic femtosecond laser processing by use of a spatial light modulator / Y. Hayasaki, T. Sugimoto, A. Takita, N. Nishida // Applied Physics Letters. – 2005. – Vol. 87, Issue 3. – 031101. – DOI: 10.1063/1.1992668.
  7. Kuang, Z. High throughput diffractive multi-beam femtosecond laser processing using a spatial light modulator / Z. Kuang, W. Perrie, J. Leach, M. Sharp, S.P. Edwardson, M. Padgett, G. Dearden, K.G. Watkins // Applied Surface Science. – 2008. – Vol. 255, Issue 5-1. – P. 2284-2289. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2008.07.091.
  8. Chen, Y. Self-splitting properties of a Hermite-Gaussian correlated Schell-model beam / Y. Chen, J. Gu, F. Wang, Y. Cai // Physical Review A. – 2015. – Vol. 91. – 013823. – DOI: 10.1103/PhysRevA.91.013823.
  9. Дифракционная оптика и нанофотоника / Е.А. Безус, Д.А. Быков, Л.Л. Досколович, А.А. Ковалев, В.В. Кот­ляр, А.Г. Налимов, А.П. Порфирьев, Р.В. Скиданов, В.А. Сойфер, С.С. Стафеев, С.Н. Хонина, под ред. В.А. Сойфера. – М.: Физматлит, 2014. – 608 с. – ISBN 978-5-922115711.
  10. Kuroiwa, Y. Arbitrary micropatterning method in femtosecond laser microprocessing using diffractive optical elements / Y. Kuroiwa, N. Takeshima, Y. Narita, S. Tanaka, K. Hirao // Optics Express. – 2004. – Vol. 12, Issue 9. – P. 1908-1915.
  11. Torres-Peiró, S. Parallel laser micromachining based on diffractive optical elements with dispersion compensated femtosecond pulses / S. Torres-Peiró, J. González-Ausejo, O. Mendoza-Yero, G. Mínguez-Vega, P. Andrés, J. Lancis // Optics Express. – 2013. – Vol. 21, Issue 26. – P. 31830- 31836. – DOI: 10.1364/OE.21.031830.
  12. Хонина, С.Н. Исследование фокусировки в близкорасположенные световые пятна при освещении дифракционных оптических элементов коротким импульсным лазерным пучком / С.Н. Хонина, С.А. Дегтярев, А.П. Порфирьев, О.Ю. Моисеев, С.Д. Полетаев, А.С. Ларькин, А.Б. Савельев-Трофимов // Компьютерная оптика. – 2015. – Т. 39, № 2. – С. 187-196. – DOI: 10.18287/0134-2452-2015-39-2-187-196.
  13. Ларькин, А.С. Формирование мод Эрмита-Гаусса пучка мощного фемтосекундного лазерного излучения с помощью бинарно-фазовых дифракционных оптических элементов / А.С. Ларькин, Д.В. Пушкарев, С.А. Дегтярев, С.Н. Хонина, А.Б. Савельев // Квантовая электроника. – 2016. – Т. 46, № 8. – С. 733-737.
  14. Kirk, J.P. Phase-only complex-valued spatial filters / J.P. Kirk, A.L. Jones // Journal of the Optical Society of America. – 1971. – Vol. 61, Issue 8. – P. 1023-1028. – DOI: 10.1364/JOSA.61.001023.
  15. Khonina, S.N. Encoded binary diffractive element to form hyper-geometric laser beams / S.N. Khonina, S.A. Balalayev, R.V. Skidanov, V.V. Kotlyar, B. Päivänranta, J. Turunen // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2009. – Vol. 11, Issue 6. – 065702 (7 p.). – DOI: 10.1088/1464-4258/11/6/065702.
  16. Хонина, С.Н. Саморепродукция многомодовых пучков Гаусса–Эрмита / С.Н. Хонина, В.В. Котляр, В.А. Сойфер // Письма в Журнал технической физики. – 1999. – Т. 25, № 12. – С. 62-69.
  17. Khonina, S.N. Specular and vortical Airy beams / S.N. Khonina // Optics Communications. – 2011. – Vol. 284, Issue 19. – P. 4263-4271. – DOI: 10.1016/j.optcom.2011.05.068.
  18. Banders, M.A. Airy-Gauss beams and their transformation by paraxial optical systems / M.A. Banders, J.C. Gutiérrez-Vega // Optics Express. – 2007. – Vol. 15, Issue 25. – P. 16719-16728. – DOI: 10.1364/OE.15.016719.
  19. Siviloglou, G.A. Accelerating finite energy Airy beams / G.A. Siviloglou, D.N. Christodoulides // Optics Letters. – 2007. – Vol. 32, Issue 8. – P. 979-981. – DOI: 10.1364/OL.32.000979.
  20. Dufresne, E.R. Computer-generated holographic optical tweezer arrays / E.R. Dufresne, G.C. Spalding, M.T. Dearing, S.A. Sheets, D.G. Greer // Review of Scientific Instruments. – 2001. – Vol. 72, Issue 3. – P. 1810-1816. – DOI: 10.1063/1.1344176.
  21. Сойфер, В.А. Оптическое манипулирование микрообъектами: достижения и новые возможности, порожденные дифракционной оптикой / В.А. Сойфер, В.В. Котляр, С.Н. Хонина // Физика элементарных частиц и атомного ядра. – 2004. – Т. 35, № 6. – С. 1368-1432.
  22. Khonina, S.N. Generation and selection of laser beams represented by a superposition of two angular harmonics / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, K. Jefimovs, J. Turunen // Journal of Modern Optics. – 2004. – Vol. 51, Issue 5. – P. 761-773. – DOI: 10.1080/09500340408235551.
  23. Porfirev, A.P. Experimental investigation of multi-order diffractive optical elements matched with two types of Zernike functions / A.P. Porfirev, S.N. Khonina // Proceedings of SPIE. – 2016. – Vol. 9807. – 98070E. – DOI: 10.1117/12.2231378.
  24. Golub, M.A. Laser beam splitting by diffractive optics / M.A. Golub // Optics and Photonics News. – 2004. – Vol. 15, Issue 2. – P. 36-41. – DOI: 10.1364/OPN.15.2.000036.
  25. Zhu, L. Three-dimensional shape-controllable focal spot  array created by focusing vortex beams modulated by multi-value pure-phase grating / L. Zhu, M. Sun, M. Zhu, J. Chen, X. Gao, W. Ma, D. Zhang // Optics Express. – 2014. – Vol. 22, Issue 18. – P. 21354-21367. – DOI: 10.1364/OE.22.021354.
  26. Khonina, S.N. Generation of Gauss-Hermite modes using binary DOEs / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, J. Lautanen, M. Honkanen, J.P. Turunen // Proceedings of SPIE. – 1999. – Vol. 4016. – P. 234-239. – DOI: 10.1117/12.373630.
  27. Backus, S. High power ultrafast lasers / S. Backus, C.G. Durfee, M.M. Murnane, H.C. Kapteyn // Review of Scientific Instruments. – 1998. – Vol. 69, Issue 3. – P. 1207-1223. DOI: 10.1063/1.1148795.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20