Design and implementation of a dynamic laser beam shaping system

Abstract

Hüzme oluşumu, serbest uzay haberleşme, optik veri depolama, lazer malzeme etkileşimi ve tıbbi cerrahi gibi çok sayıda uygulamayı açmak için teknolojiye izin veren ana anahtardır. Birçok araştırmacı lazer hüzmesinin farklı stratejilerle şekillendirilmesinden mennundur. Bu stratejilerin bazıları, bir lazer profil şekillendirme sisteminin tasarlanması için yansıma ve /veya kırılma yasalarına bağlıdır, ancak bu stratejiler, belirli bir lazer ışını ve bunun çıktı paterni için tasarlandığı gibi bir sınırlamaya sahiptir. Bundan dolayı, lazer hüzme şekillendirme sistemlerinin ışık şiddeti profilini şekillendirmek için girişim veya kırınım etkisi ilkesi ışığında yeni stratejiler veya teknikler vardır. Bu araştırmanın amacı, Fourier düzlemine eklenecek veya üretilecek hedefin şekline bakılmaksızın, 852 nm lazer ışını ile Düz Tepeli Hüzmelerin (DTH) dinamik olarak şekillendirilmesi için kontrol edilebilir bir araç tasarlamak ve uygulamaktır. Gerchberg-Saxton (GS) ve Karma Bölge Genlik Özgürlüğü (KBGÖ) algoritmaları gibi iki farklı İteratif Fourier Dönüşüm Algoritması (İFDA), yansıtıcı faz-uzamsal ışık modülatörü (FUIM) keyfi ışık şiddet dağılımlarını yeniden yapılandırmak ve dinamik kontrol edilebilir DTH profillerini oluşturmada yeni bir metodoloji sunmak için kullanılır. UIM, bir hologramı gösteren bir faz maskesidir. GS ve KBGÖ algoritmaları, istenen her bir şiddet paterni için uygun bir faz hologramını bulmak için kullanılır. UIM'in her bir pikseli, gelen lazer ışığının dalga cephesini şekillendirir, böylece bir lensin doğal Fourier dönüşüm özelliği, istenen görüntünün Fourier düzleminde görünmesine neden olur. DTH'lerin dinamik olarak herhangi bir şeklinin, gelen Gaussian ışınının tüm gücünden üretilmesi için yeni bir yöntem sunulmuştur bu yöntem, yüksek kalitede istenen şiddet dağılımının uzak alandaki şiddet dağılımının pozisyonunu değiştirmeden, faz hologramından hesaplanmasına dayanarak, istenen şiddet dağılımının yeniden yapılandırılmasını sağlar. Gori, Super Lorentzian (SL) ve Super Gaussian (SG) gibi üç tip analitik DTH arasında yüksek düzleştirme parametresi için detaylı bir teorik karşılaştırma yapılmıştır. KBGÖ algoritması gibi bir İFDA kullanılarak belirli bir kaynak boyutunda kare ve dairesel DTH ler elde edilmiştir. Ayrıca, GS ve KBGÖ gibi İFDA kullanılarak kare ve dairesel DTH lerin deneysel bir karşılaştırması yapılmıştır. Bu karşılaştırmalar DTHler için kenar dikliği, plato düzgünlüğü, varyans ve standart sapma parametreleri için, ISO 13694 da ki standart parametreler ile yapılmıştır. Ayrıca bu çalışmada, ışık yolunda herhangi bir ek optik ekipman kullanılmadan teorik ve deneysel sonuçlara alternatif olarak KBGÖ algoritmasının kinoform hologramlarına atfedilen yeniden yapılandırılmış modellerde module edilmemiş ışık hüzmesi (Dc terimi) azaltılmıştır. Ortalama Kare Hatası (OKH), Pik Sinyali Gürültü Oranı (PSGO), Yapısal İçerik (Yİ), Normalize Mutlak Hatası (NMH), Normalize-Çapraz Korelasyon (NÇK), kontrast boyunca piksellerin homojenliği ve Ters Fark Momenti(TFM) gibi Tam Referans Objektif Kalitesi parametreleri sayısal ve deneysel sonuçlar ile keyfi ışık şiddeti dağılımları için tartışılmıştır. İşlenen keyfi ve dinamik ışık şiddet dağılımları ile KBGÖ algoritmasının sonuçları yüksek oranda fazda geri kazanılmış, görüntünün kalitesi arttırılmıştır; Dc terimi azaltılmış ve lazer hüzme şekillendirmede kontrol edilebilir güçlü yeni bir teknik kanıtlanmıştır.

Beam formation is the main key that allows technology to open numerous applications, such as free space communications, optical data storage, laser material interaction and medical surgery. Many researchers are satisfying the reforming of laser beams with different strategies. Some of these strategies depend on the laws of reflection and/or refraction to design a laser profile shaping system; however, these strategies have a limitation such that it is tailored for a specific laser beam and its output pattern. Therefore, there are new strategies and techniques in light of the principles of interference or diffraction effects to shape the irradiance profile of laser beam shaping systems. The purpose of this research is to design and implement a controllable tool for the dynamical shaping of Flat-Top Beams (FTBs) with an 852 nm laser beam regardless of the shape of the target to be generated or inserted into the Fourier plane. A reflective phase-only spatial light modulator (SLM) with two different Iterative Fourier Transform algorithms (IFTA)s such as the Gerchberg Saxton (GS) and Mixed-Region Amplitude Freedom (MRAF) algorithms are used to reconstruct the arbitrary light intensity distributions and to present a new methodology for creating dynamic controllable FTB profiles. The SLM is a phase mask that displays a hologram. The GS and MRAF algorithms are used to find an appropriate phase hologram for each desired intensity pattern. Each pixel of the SLM shapes the wavefront of the incoming laser light so that the natural Fourier transforming property of a lens causes the desired image to appear in the Fourier plane. A new methodology is introduced to generate dynamically any shape of FTB from the full power of the incident Gaussian beam, it achieves high quality optical reconstructed patterns of the desired intensity distribution based on the calculation of the phase hologram of the desired intensity distribution without changing the position of the far field plane. A detailed theoretical comparison was performed between three types of analytical FTB, such as the Gori, Super Lorentzian (SL) and Super Gaussian (SG) beams for higher flatness order. The square and circular FTBs were obtained using an IFTA, such as the MRAF algorithm at a specific source sizes. Moreover, an experimental comparison was presented between square and circular FTBs obtained using IFTAs, such as the GS and MRAF algorithms. These comparisons were made by the standard parameters in ISO 13694, including comparisons of edge steepness, plateau uniformity, variance and the standard deviation for FTBs. Also in this research, the unmodulated light beam (Dc term) is reduced in the reconstructed patterns attributed to kinoform holograms of the MRAF algorithm as an alternative for the theoretical and experimental results without using any additional optical equipment at the light path. The full reference objective quality estimations such as Mean Square Error (MSE), Peak Signal to Noise Ratio (PSNR), Structural Content (SC), Normalized Absolute Error (NAE), Normalizes-Cross Correlation (NK), homogeneity of pixels through the contrast (Cont) and inverse difference moment (IDM) for numerical and experimental results are discussed for the arbitrary light intensity distributions. By arbitrary and dynamic light intensity distributions which are processed, the results of the MRAF algorithm are in high accurate recovered phase, the quality of image has been enhanced, and the Dc term has been reduced. So a new technique has been proven to generate a controllable power tool of laser beam shaping.