Figura 1. Profili a fascio piatto quadrato realizzati da:(a) Elemento ottico diffrattivo (DOE), (b) reticolo di fase verticale (metodo convenzionale), (c) reticolo di fase diagonale virtuale (nuovo metodo). Credito:© 2019 Nakata Y. et al., Rapporti scientifici .
I ricercatori dell'Università di Osaka hanno sviluppato una tecnica per migliorare la precisione della sagomatura del raggio laser e del fronte d'onda ottenuti con metodi convenzionali senza costi aggiuntivi ottimizzando il reticolo di fase virtuale. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati in Rapporti scientifici .
Una trave piatta quadrata di alta qualità è richiesta per vari campi, come l'elaborazione laser uniforme e la medicina, così come applicazioni laser ad altissima intensità per acceleratori e fusione nucleare. La forma del raggio è la chiave per realizzare le potenziali capacità ed effetti del laser. Però, poiché la forma del raggio e il fronte d'onda variano a seconda del laser, la sagomatura del fascio è essenziale per produrre le forme desiderate per rispondere alle diverse esigenze.
Sono stati sviluppati metodi di modellazione del fascio statico e adattivo per varie applicazioni. Con Diffractive Optical Element (DOE) come metodo statico, la pendenza e la planarità del bordo sono basse e il fronte d'onda si deforma dopo la modellatura. (Figura 1 (a)) Inoltre, L'ologramma generato dal computer (CGH) come tipico metodo adattivo presenta le stesse difficoltà.
Nel frattempo, è stata sviluppata una tecnica di modellazione del fascio adattivo che utilizza il reticolo di fase codificato su un modulatore di luce spaziale (SLM) con filtraggio della frequenza spaziale nel piano di Fourier in un sistema 4f. (Figura 2 (a)) Questo metodo convenzionale genera un raggio piatto quadrato controllando spazialmente l'efficienza di diffrazione senza deformare il fronte d'onda. Però, perché le componenti estratte e residue si sovrappongono nel piano di Fourier, è stato necessario tagliare la componente ad alta frequenza spaziale (HSF) dalla componente estratta, limitando la planarità e la pendenza del bordo della forma della trave risultante. (Figura 1 (b))
Figura 2. Schema sperimentale:reticolo di fase e filtraggio nel piano di Fourier del sistema 4f. (a) reticolo di fase verticale (metodo convenzionale), (b) reticolo di fase diagonale virtuale (nuovo metodo). Credito:© 2019 Nakata Y. et al., Rapporti scientifici .
In questo studio, il gruppo ha sviluppato una tecnica universale di sagomatura del fascio ad alta precisione, che può essere utilizzato per vari laser dal dominio dell'ultravioletto al vicino infrarosso.
Questo metodo separa spazialmente i componenti residui ed estratti nel piano di Fourier utilizzando un reticolo di fase diagonale virtuale (Figura 2 (b)) e cancella la sovrapposizione creando il vettore del reticolo, kg, non paralleli ai vettori normali, kx o ky, del profilo di trave desiderato, che sono paralleli tra loro nello schema convenzionale.
Utilizzando in modo efficiente solo componenti estratti contenenti componenti HSF, è stata ottenuta la modellazione del fascio ad alta risoluzione. Ciò ha consentito di ottenere una trave piatta altamente uniforme di qualsiasi forma ad angolo senza increspature, sopprimendo il bordo della trave sagomata ad un'altezza di 20 μm, che è inferiore al 20% di quello ottenuto con il reticolo a fase verticale convenzionale.
L'autore corrispondente Yoshiki Nakata afferma:"Il nostro metodo, che consente l'ottimizzazione della sagomatura del fascio migliorando la risoluzione e la precisione, contribuirà ad un ampio campo, compresa la ricerca di base, produzione e ingegneria medica. Nei sistemi convenzionali di sagomatura del fascio, La precisione della modellazione del fascio può essere notevolmente migliorata senza costi aggiuntivi semplicemente cambiando il filtro di frequenza spaziale e il reticolo di fase codificato su un SLM."
