Оптимизация бинарного ДОЭ для формирования «световой бутылки»

Качалов Д.Г., Гамазков К.А., Павельев В.С., Хонина С.Н.

Аннотация:
Предложена и исследована численная процедура оптимизации бинарных дифракционных оптических элементов (ДОЭ), предназначенных для формирования световых распределений типа «световая бутылка». Предложенная численная процедура основана на модификации генетического алгоритма оптимизации функции многих переменных. Приведены результаты вычислительных экспериментов.

Abstract:
The numerical procedure for optimization of binary diffractive optical elements forming light distribution “light bottle” is developed and investigated. The developed numerical procedure is based on modification of well-known genetic algorithm. The results of numerical experiments are presented.

Ключевые слова :
генетический алгоритм, оптическая ловушка, бинарные дифракционные оптические элементы.

Key words:
genetic algorithm, light bottle, binary diffractive optical elements

Литература:

  1. Ozeri, R. Long spin relaxation times in a single-beam blue-detuned optical trap / R. Ozeri, L. Khaykovich, N. Davidson // Phys. Rev. A. - 1999. - Vol. 59(3). - P. R1750- R1753.
  2. Arlt, J. Generation of beamwith a dark focus surrounded by regions of higher intensity: the optical bottle beam // Opt. Lett. - 2000. - Vol. 25(4). - P. 191-193.
  3. Yelin, D. Generating an adjustable three-dimensional dark focus / D. Yelin, B. E. Bouma, G. J. Tearney // Opt. Lett. - 2004. Vol. 29(7). P. 661-663.
  4. Ashkin, A. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles / A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, S. Chuk //. Opt. Lett. - 1986. - Vol 11(5). - P. 288-290.
  5. Сойфер, В.А. Оптическое манипулирование микрообъектами: достижения и новые возможности, порождённые дифракционной оптикой / В.А. Сойфер, В.В. Котляр, С.Н. Хонина // Физика элементарных частиц и атомного ядра. - 2004. - Т. 35(6). - С. 1368-1432.
  6. Gahagan, K. T. Optical vortex trapping of particles / K. T. Gahagan, G. A. Swartzlander // Opt. Letters. - 1996. - Vol. 21(11). - P. 827-829.
  7. Kuga, T. Novel optical trap of atoms with a doughnut beam / T. Kuga, Y. Torii, N. Shiokawa, T. Hirano Y. Shimizu, H. Sasada // Phys. Rev. Lett. - 1997. - Vol. 78. - P. 4713-4716.
  8. Manek, I. Generation of a hollow laser beam for atom trapping using an axicon / I. Manek, Yu. B. Ovchinnikov, R. Grimm // Opt. Comm. - 1998. - Vol. 147. - P. 67-70.
  9. Khonina, S.N. Rotation of microparticles with Bessel beams generated by diffractive elements / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, R.V. Skidanov, V.A. Soifer, K. Jefimovs, J. Simonen, J. Turunen // Journal of Modern Optics. - 2004. - Vol. 51(14). - P. 2167-2184.
  10. Сойфер, В.А. Вращение микрочастиц в световых полях / В.А. Сойфер, В.В. Котляр, С.Н Хонина, Р.В. Скиданов // Компьютерная оптика. - 2008. - № 28. -  С. 5-17.
  11. Khonina, S.N. The phase rotor filter / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, M.V. Shinkaryev, V.A. Soifer, G.V. Uspleniev // J. Modern Optics. - 1992. Vol. 39(5). - P. 1147-1154.
  12. Kotlyar, V.V. Generation of phase singularity through diffracting a plane or Gaussian beam by a spiral phase plate / V.V. Kotlyar, A.A. Almazov, S. N. Khonina, V.A. Soifer, H. Elfstrom, J. Turunen // J. Opt. Soc. Am. A. - 2005. - Vol. 22(5). - P. 849-861.
  13. Kotlyar, V.V. Diffraction of a plane, finite-radius wave by a spiral phase plate / V.V. Kotlyar, S.N. Khonina, A.A. Kovalev, V.A. Soifer, H. Elfstrom, J. Turunen // Opt. Lett. - 2006. - Vol. 31. - P. 1597-1599.
  14. Tsai, H.-Y. Fabrication of spiral-phase diffractive elements using scanning-electron-beam lithography / H.-Y. Tsai, H. I. Smith, and R. Menon, J. Vac. // Sci. Technol. B. - 2007. - Vol. 25. - P. 2068-2071.
  15. Балалаев, С.А. Исследование возможности формирования гипергеометрических лазерных пучков методами дифракционной оптики / С.А. Балалаев, С.Н. Хонина, Р.В.Скиданов // Известия Самарского научного центра РАН. - 2008. - Т. 10. - № 3. - С. 694-706.
  16. Khonina, S.N. DOE-generated laser beams with given orbital angular moment: application for micromanipulation// Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. - 2005. - Vol. 5962. - P. 59622W.
  17. Скиданов, Р.В. Экспериментальное исследование движения диэлектрических шариков в световых пучках с угловыми гармониками высоких порядков / Р.В. Скиданов, С.Н. Хонина, В.В, Котляр, В.А. Сойфер //  Ком­пьютерная оптика. - 2007. - Т. 31. - № 1. - С. 14-21.
  18. de Angelis, M. Axially symmetric hollow beams using refractive conical lenses / M. de Angelis, L. Cacciapuoti, G. Pierattini, and G. M. Tino // Opt. Lasers Eng. - 2003. - Vol. 39. - P. 283-291.
  19. Wei, M.-D Adjustable generation of bottle and hollow beams using an axicon / M.-D. Wei, W.-L. Shiao, and Y.-T. Lin // Opt. Commun. - 2005. - Vol. 248. ? P. 7-14.
  20. Zeng, X. The analytical description and experiments of the optical bottle generated by an axicon and a lens / X. Zeng and F. Wu // J. Mod. Opt. - 2008. - Vol. 55. - P. 3071-3081.
    Methods for Computer Design of Diffractive Optical Elements, ed. Victor A. Soifer - John Wiley & Sons, Inc., New York. 2002. 765 p.
  21. Досколович, Л.Л. Сравнительный анализ аналитических и итерационных методов реше­ния задачи фокуси­ровки в отрезок / Л.Л. Досколович, Н.Л. Казан­ский, В.А. Сой­фер, С.И. Харитонов // Компью­терная оп­тика. - 1993. - № 13. - С.16-29.
  22. Doskolovich, L.L. Comparative analysis of dif­ferent focusators into seg­ment / LL. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, V.A. Soifer // Optics and Laser Technology. - 1995. - Vol.27. - № 4. - P. 207-213.
  23. Doskolovich, L.L. Analysis of quasiperiodic and geometric optical solutions of the prob­lem of focusing into an axial seg­ment / L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, V.A. Soifer, A.Ye. Tzaregorodtzev // Optik. - 1995. - Vol.101. - № 2. - P. 37-41.
  24. Досколович Л.Л. Анализ квазипериодических и геометрооптических решений задачи фокусировки в продольный отрезок / ЛЛ. Досколович, Н.Л. Казанский, В.А. Сойфер // Компьютерная оптика. -  1996. - № 16. - С. 4-8.
  25. Kotlyar, V.V. An algorithm for the generation of laser beams with longitudinal periodicity: rotating images / V.V. Kotlyar, S.N. Khonina, V.A. Soifer // Journal of Modern Optics. - 1997. - Vol. 44. - N. 7. - P. 1409-1416.
  26. Chavez-Cerda, S. Interference of traveling nondiffracting beams / S. Chavez-Cerda, M. A. Meneses-Nava, and J. Miguel Hickmann // Opt. Lett. - 1998. - Vol. 23. - P. 1871-1873.
  27. Голуб, М.А. Вычислительный эксперимент с элементами плоской оптики / М.А. Голуб, Н.Л. Казанский, И.Н. Си­сакян, В.А. Сойфер // Авто­метрия. - 1988. - № 1. - С. 70-82.
  28. Голуб, М.А. Математическая модель фо­кусировки излучения эле­ментами компьютерной оптики / М.А. Голуб, Н.Л. Казанский, В.А. Сойфер // На­учное при­боростроение. - 1993. - Т.3, - № 1. - С. 9-23.
  29. Харитонов, С.И. Асимптотический метод расчёта поля от оптических элементов, обладающих зонной структурой / С.И. Харитонов, Л.Л. Досколович, Н.Л. Казанский, М.Л. Каляев // Компьютерная оптика. - 2007. - Т. 31. - № 4. - С. 7-18.
  30. Martínez-Corral, M. Tailoring the axial shape of the point spread function using the Toraldo concept / M. Martínez-Corral, M. T. Caballero, E. H. K. Stelzer and J. Swoger // Optics Express. - 2002. - Vol. 10(1). -  P. 98-103.
  31. Chen, W. Three-dimensional focus shaping with cylindrical vector beams / W. Chen and Q. Zhan // Opt. Commun. - 2006. - Vol. 265. - P. 411-417.
  32. Menon, R. Design of diffractive lenses that generate optical nulls without phase singularities / R. Menon, P. Rogge, H.-Y. Tsai // J. Opt. Soc. Am. A - 2009. - Vol. 26(2). - P. 297-304.
  33. Osipov, V.P. Realization of binary radial diffractive optical elements by two-photon polymerization technique / V.P. Osipov, V.S. Pavelyev, D.G. Kachalov, A. Zukauskas, B.N. Chichkov // Opt. Exp. - 2010. - Vol. 18(25) - P. 25808-25814.
  34. Kachalov, D. G. Application of the direct search in solving a problem of forming longitudinal distribution of intensity / D. G. Kachalov, V. S. Pavelyev, S. N. Khonina, R. V. Skidanov, O. Yu Moiseev // J. Mod. Opt. - 2011. - Vol 58. - No 1. - P. 69 ? 76.
  35. Golub, M.A. Computer generated diffractive multi-focal lens / M.A. Golub, L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, S.L. Kharitonov, V.A. Soifer // Journal of Modern Op­tics. - 1992. - Vol.39(6). - P.1245-1251.
  36. Досколович, Л.Л.  Расчёт двухпорядковых фокусаторов / Л.Л. Досколович, Н.Л. Казанский, В.А. Сойфер // Автометрия. - 1993, № 1. - С.58-63.
  37. Soifer, V.A. Multifocal diffractive ele­ments / V.A. Soifer, L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy // Optical Engi­neering. - 1994. - Vol.33(11). - P.3610-3615.
  38. Досколович, Л.Л. Расчёт дифракционных оптических элементов для фокусировки во внеосевые радиальные фо­кальные области / Л.Л. Досколович, Н.Л. Ка­занский, В.С. Павельев, В.А. Сойфер // Автометрия. - 1995, № 1. - С.114-119.
  39. Досколович, Л.Л. Расчет бинарных диф­ракционных оптиче­ских элементов для фокусировки в задан­ную двумер­ную область / Л.Л. Досколович, Н.Л. Казанский, В.А. Сойфер // Автометрия. - 1995, № 5. - С.42-50.
  40. Soifer, V.A. Synthesis of a Binary DOE Focusing into an Arbitrary Curve, Using the Electromagnetic Approximation / V.A.  Soifer, N.L. Kazanskiy, S.I. Kharitonov // Optics and Lasers in Engineering. - 1998. - Vol.29(4-5). - P. 237-247.
  41. Kotlyar, V.V. Iterative calculation of diffractive optical elements focusing into a three dimensional domain and the surface of the body of rotation / V.V. Kotlyar, S.N. Khonina, V.A. Soifer // J. Modern Optics. - 1996. - Vol. 43(7). - P. 1509-1524.
  42. Doskolovich, L.L. A method for estimating the DOE's energy efficiency / L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, S.I. Khari­tonov, A. Ye. Tzaregorodzev // Optics and Laser Technology. - 1995. - Vol.27(4). - P.219-221.

References:

  1. Ozeri, R. Long spin relaxation times in a single-beam blue-detuned optical trap / R. Ozeri, L. Khaykovich, N. Davidson // Phys. Rev. A. - 1999. - Vol. 59(3). - P. R1750- R1753.
  2. Arlt, J. Generation of beamwith a dark focus surrounded by regions of higher intensity: the optical bottle beam // Opt. Lett. - 2000. - Vol. 25(4). - P. 191-193.
  3. Yelin, D. Generating an adjustable three-dimensional dark focus / D. Yelin, B. E. Bouma, G. J. Tearney // Opt. Lett. - 2004. - Vol. 29(7). - P. 661-663.
  4. Ashkin, A. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles / A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, S. Chuk //. Opt. Lett. - 1986. - Vol 11(5). - P. 288-290.
  5. Soifer, V.A. Optical manipulation of microobjects: achievements and new abilities which allows diffractive optics / V.A. Soifer, V.V. Kotlyar, S.N. Khonina // Physics of elementary particles and atomic nucleus. - 2004. - Vol. 35(6). - P. 1368-1432 (in Russian).
  6. Gahagan, K. T. Optical vortex trapping of particles / K. T. Gahagan, G. A. Swartzlander // Opt. Letters. - 1996. - Vol. 21(11). - P. 827-829.
  7. Kuga, T. Novel optical trap of atoms with a doughnut beam / T. Kuga, Y. Torii, N. Shiokawa, T. Hirano Y. Shimizu, H. Sasada // Phys. Rev. Lett. - 1997. - Vol. 78. - P. 4713-4716.
  8. Manek, I. Generation of a hollow laser beam for atom trapping using an axicon / I. Manek, Yu. B. Ovchinnikov, R. Grimm // Opt. Comm. - 1998. - Vol. 147. - P. 67-70.
  9. Khonina, S.N. Rotation of microparticles with Bessel beams generated by diffractive elements / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, R.V. Skidanov, V.A. Soifer, K. Jefimovs, J. Simonen, J. Turunen // Journal of Modern Optics. - 2004. - Vol. 51(14). - P. 2167-2184.
  10. Soifer, V.A. Rotation of microparticles in light fields / V.A. Soifer, V.V. Kotlyar, S.N Khonina., R.V. Skidanov // Computer Optics. - 2008. - N 28. -  P. 5-17(in Russian).
  11. Khonina, S.N. The phase rotor filter / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, M.V. Shinkaryev, V.A. Soifer, G.V. Uspleniev // J. Modern Optics. - 1992. Vol. 39(5). - P. 1147-1154.
  12. Kotlyar, V.V. Generation of phase singularity through diffracting a plane or Gaussian beam by a spiral phase plate / V.V. Kotlyar, A.A. Almazov, S. N. Khonina, V.A. Soifer, H. Elfstrom, J. Turunen // J. Opt. Soc. Am. A. - 2005. - Vol. 22(5). - P. 849-861.
  13. Kotlyar, V.V. Diffraction of a plane, finite-radius wave by a spiral phase plate / V.V. Kotlyar, S.N. Khonina, A.A. Kovalev, V.A. Soifer, H. Elfstrom, J. Turunen // Opt. Lett. - 2006. - Vol. 31. - P. 1597-1599.
  14. Tsai, H.-Y. Fabrication of spiral-phase diffractive elements using scanning-electron-beam lithography / H.-Y. Tsai, H. I. Smith, and R. Menon, J. Vac. // Sci. Technol. B. - 2007. - Vol. 25. - P. 2068-2071.
  15. Balalaev, S.A. Investigation of possibility to form hypergeometric laser beams by methods of diffractive optics / S.A. Balalaev, S.N. Khonina, R.V.Skidanov// Izvest. SNC RAS. - 2008. - Vol. 10. - № 3. - P. 694-706 (in Russian).
  16. Khonina, S.N. DOE-generated laser beams with given orbital angular moment: application for micromanipulation// Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. - 2005. - Vol. 5962. - P. 59622W.
  17. Skidanov, R.V. Experimental investigation of dielectric spheres moving in light beams with high angle harmonics /R.V. Skidanov, S.N. Khonina, V.V, Kotlyar, V.A. Soifer //Computer Optics. - 2007. - V. 31. - № 1. - P. 14-21.
  18. de Angelis, M. Axially symmetric hollow beams using refractive conical lenses / M. de Angelis, L. Cacciapuoti, G. Pierattini, and G. M. Tino // Opt. Lasers Eng. - 2003. - Vol. 39. - P. 283-291.
  19. Wei, M.-D Adjustable generation of bottle and hollow beams using an axicon / M.-D. Wei, W.-L. Shiao, and Y.-T. Lin // Opt. Commun. - 2005. - Vol. 248. ? P. 7-14.
  20. Zeng, X. The analytical description and experiments of the optical bottle generated by an axicon and a lens / X. Zeng and F. Wu // J. Mod. Opt. - 2008. - Vol. 55. - P. 3071-3081.
    Methods for Computer Design of Diffractive Optical Elements, ed. Victor A. Soifer - John Wiley & Sons, Inc., New York, 2002. - 765 p.
  21. Doskolovich, L.L. Comparative analysis of analytic and iterative methods for solution of task of focusing into line segment/ L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, V.A. Soifer, S.I. Kharitonov// Copmuter Optics. 1993. - № 13. - P.16-29 (in Russian).
  22. Doskolovich, L.L. Comparative analysis of dif­ferent focusators into seg­ment / L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, V.A. Soifer // Optics and Laser Technology. - 1995. - Vol.27. - № 4. - P. 207-213.
  23. Doskolovich, L.L. Analysis of quasiperiodic and geometric optical solutions of the prob­lem of focusing into an axial seg­ment / L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, V.A. Soifer, A.Ye. Tzaregorodtzev // Optik. - 1995. - Vol.101. - № 2. - P. 37-41.
  24. Doskolovich, L.L. Analysis of quasiperiodic and geometric optical solutions of the axial segment focusing problem / L.L. Doskilovich, N.L. Kazanskiy, V.A. Soifer // Computer Optics. -  1996. - N. 16. - P. 4-8 (in Russian).
  25. Kotlyar, V.V. An algorithm for the generation of laser beams with longitudinal periodicity: rotating images / V.V. Kotlyar, S.N. Khonina, V.A. Soifer // Journal of Modern Optics. - 1997. - Vol. 44. - N. 7. - P. 1409-1416.
  26. Chavez-Cerda, S. Interference of traveling nondiffracting beams / S. Chavez-Cerda, M. A. Meneses-Nava, and J. Miguel Hickmann // Opt. Lett. - 1998. - Vol. 23. - P. 1871-1873.
  27. Golub, М.А. Computational experiment with plane optical elements/ M.A. Golub, N.L. Kazanskiy, I.N. Sissakian, V.A. Soifer// Avtometria. - 1988. - № 1. - P. 70-82 (in Russian).
  28. Golub, M.A. Mathematical model of irradiation focusing by elements of computer optics/ M.A. Golub, N.L. Kazanskiy, V.A. Soifer // Nauchnoe priborostroeniye. - 1993. - V.3, - № 1. - P. 9-23 (In Russian).
  29. Kharitonov, S.I. Asymptotic method of field calculation for zone-structured optical elements/ S.I. Kharitonov, L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, M.L. Kalyaev// Computer optics. - 2007. - V. 31. - № 4. - P. 7-18 (in Russian).
  30. Martínez-Corral, M. Tailoring the axial shape of the point spread function using the Toraldo concept / M. Martínez-Corral, M. T. Caballero, E. H. K. Stelzer and J. Swoger // Optics Express. - 2002. - Vol. 10(1). -  P. 98-103.
  31. Chen, W. Three-dimensional focus shaping with cylindrical vector beams / W. Chen and Q. Zhan // Opt. Commun. - 2006. - Vol. 265. - P. 411-417.
  32. Menon, R. Design of diffractive lenses that generate optical nulls without phase singularities / R. Menon, P. Rogge, H.-Y. Tsai // J. Opt. Soc. Am. A - 2009. - Vol. 26(2). - P. 297-304.
  33. Osipov, V.P. Realization of binary radial diffractive optical elements by two-photon polymerization technique / V.P. Osipov, V.S. Pavelyev, D.G. Kachalov, A. Zukauskas, B.N. Chichkov // Opt. Exp. - 2010. - Vol. 18(25) - P. 25808-25814.
  34. Kachalov, D. G. Application of the direct search in solving a problem of forming longitudinal distribution of intensity / D. G. Kachalov, V. S. Pavelyev, S. N. Khonina, R. V. Skidanov, O. Yu Moiseev // J. Mod. Opt. - 2011. - Vol 58. - No 1. - P. 69 ? 76.
  35. Golub M.A. Computer generated diffractive multi-focal lens / M.A. Golub, L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, S.L. Kharitonov, V.A. Soifer // Journal of Modern Op­tics. - 1992. - Vol.39(6). - P.1245-1251.
  36. Doskolovich, L.L.  Design of two-order focusators/ L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, V.A. Soifer // Avtometria. - 1993, - № 1. - P.58-63 (in Russian).
  37. Soifer, V.A. Multifocal diffractive ele­ments / V.A. Soifer, L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy // Optical Engi­neering. - 1994. - Vol.33(11). - P.3610-3615.
  38. Doskolovich, L.L. Design of diffractive optical elements for focusing into axial radial focal domains / L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, V.S. Pavelyev, V.A. Soifer //Avtometria. - 1995, № 1. - P.114-119 (in Russian).
  39. Doskolovich, L.L. Design of binary diffractive optical elements for focusing into pregiven two-dimensional domain/ L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, V.A. Soifer// Avtometria. - 1995, № 5. - P.42-50 (in Russian).
  40. Soifer, V.A. Synthesis of a Binary DOE Focusing into an Arbitrary Curve, Using the Electromagnetic Approximation / V.A.  Soifer, N.L. Kazanskiy, S.I. Kharitonov // Optics and Lasers in Engineering. - 1998. - Vol.29(4-5). - P. 237-247.
  41. Kotlyar, V.V. Iterative calculation of diffractive optical elements focusing into a three dimensional domain and the surface of the body of rotation / V.V. Kotlyar, S.N. Khonina, V.A. Soifer // J. Modern Optics. - 1996. - Vol. 43(7). - P. 1509-1524.
  42. Doskolovich, L.L. A method for estimating the DOE's energy efficiency / L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, S.I. Khari­tonov, A. Ye. Tzaregorodzev // Optics and Laser Technology. - 1995. - Vol.27(4). - P.219-221.
© 2009, ИСОИ РАН
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 332-56-22, факс: +7 (846) 332-56-20