[论文解读] Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams

Keyou Chen, Michael Jenne+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2019

Photorefractive and Nonlinear Optics参考文献 2被引用 10

一句话总结

该论文提出了一种基于广义渐缩镜的通用方法，通过引入任意方位角相位调制，可生成具有任意横向强度分布的非衍射光束。通过将传统渐缩镜扩展为允许复杂数值的角向相位函数，该方法能够高效、稳定且高功率地生成零阶、高阶及叠加型贝塞尔类光束，以及马丢厄斯光束，同时完全控制光束形状和传播不变性。

ABSTRACT

We generalize the well-known method of generating nondiffracting beams based on axicons by allowing phase modulations with azimuthal dependencies. This generalization includes the description of Bessel-like beams of zero order, higher orders and superpositions thereof. We present the enormous benefit of our approach for highly efficient and robust shaping of nondiffracting beams with arbitrary transverse profiles. The concept's versatility is demonstrated by discussing generation and propagation of various nondiffracting beams with potential regarding laser materials processing.

研究动机与目标

• 将传统的渐缩镜光束整形方法从零阶贝塞尔光束扩展至任意横向强度分布。
• 实现高效且稳健地生成具有定制横向结构的传播不变光束，以满足工业激光加工需求。
• 展示该方法不仅可生成贝塞尔类光束，还可高效生成高阶模式和叠加模式，包括马丢厄斯光束。
• 通过使用单一光束整形元件进行纯相位调制，保持高效率和抗功率损伤能力。
• 提供一种灵活、用户友好的框架，用于设计具有特定对称性或非对称强度分布的光束。

提出的方法

• 该方法通过在光学场的角谱表示中引入任意方位角相位函数 $\Theta(\phi)$，将标准渐缩镜进行广义化。
• 光场由杜尔宁的平面波分解描述：$ u(x,y,z) = \exp(\imath k_z z) \int_0^{2\pi} d\phi \, a(\phi) \exp[\imath k_t (x\cos\phi + y\sin\phi)] $，其中 $ a(\phi) = \exp[\imath \Theta(\phi)] $。
• 渐缩镜的相位轮廓从 $ \Phi^{\text{axi}}(r) = k_r r $ 扩展为包含任意 $ \Theta(\phi) $，从而实现对角谱的控制。
• 该方法通过空间光调制器（SLMs）或采用自由曲面光学技术制造的折射型渐缩镜元件实现。
• 该方法支持纯相位调制，也可选择性地实现复振幅调制，但为提高效率优先采用纯相位调制。
• 理论分析与仿真结果表明，可生成涵盖对称与非对称分布的广泛横向强度分布光束。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将基于渐缩镜的非衍射光束生成方法广义化，以产生具有任意横向强度分布的光束？
• RQ2 引入任意方位角相位函数 $ \Theta(\phi) $ 对光束的传播不变性与强度分布有何影响？
• RQ3 是否能通过该广义渐缩镜框架高效生成高阶贝塞尔类光束与马丢厄斯光束？
• RQ4 与传统方法相比，该方法在多大程度上保持了光束效率与抗功率损伤能力？
• RQ5 该广义方法如何在保持非衍射特性的同时，实现非对称或非对称横向强度分布的光束设计？

主要发现

• 广义渐缩镜方法通过定制的方位角相位调制，可生成具有任意横向强度分布的零阶、高阶及叠加型贝塞尔类光束。
• 该方法通过使用单一光束整形元件实现纯相位控制，显著提高效率与鲁棒性，最大限度减少功率损耗。
• 仿真结果表明，可生成具有四个独立强度极大值（每个为峰值强度的30%）的光束，以及阶数为 $ m=12 $ 的纯偶数马丢厄斯光束，证实了该方法的多功能性。
• 该方法支持具有极端长径比（$ l_0/d_0 > 1000 $）的传播不变光束，同时保持自修复特性与球差抗性。
• 该方法可生成既无径向对称性也无点对称性的光束，包括非对称分布，同时保持所有关键的非衍射特性。
• 该框架兼容基于SLM的数字全息技术与自由曲面折射型渐缩镜制造，可实现于激光材料加工的实际应用。