論文の概要: Correcting astigmatism and ellipticity in Gaussian beams using a cylindrical lens pair with tunable focal lengths

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.22308v1
• Date: Fri, 27 Jun 2025 15:19:27 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-30 21:12:23.259112
• Title: Correcting astigmatism and ellipticity in Gaussian beams using a cylindrical lens pair with tunable focal lengths
• Title（参考訳）: 可変焦点長の円筒レンズ対を用いたガウスビームの補正法と楕円性
• Authors: Soroush Khoubyarian, Anastasiia Mashko, Alexandre Cooper,
• Abstract要約: レーザービームの不規則性と楕円性を補正することは、顕微鏡、原子物理学、量子情報処理、先進的な製造の性能向上に不可欠である。 回折光学素子に基づく能動解は優れた性能を達成することができるが、それらはかさばる、高価であり、有限回折効率に悩まされ、さらに複雑さが増す。 本稿では,非直交楕円形ビームを非直交性のない円形ガウスビームに変換する簡単な方法を提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 45.71580706064075
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Correcting astigmatism and ellipticity in laser beams is critical for improving performance in many applications like microscopy, atomic physics, quantum information processing, and advanced manufacturing. Passive correction methods based on cylindrical lens telescopes require choosing lenses with precise focal lengths, effectively limiting the range of tunability when using standard catalog optics. Active solutions based on diffractive optical elements can achieve superior performance, but they are bulky, expensive, and suffer from finite diffraction efficiency and added complexity. Here, we introduce a simple method to convert astigmatic elliptical beams into circular Gaussian beams without astigmatism. Our method comprises three cylindrical lenses. The first lens focuses the beam along its major axis to create a plane where the intensity profile is radially symmetric. The second and third lenses are placed one behind the other in that plane at a relative angle, acting as a biaxial lens pair with tunable focal lengths. By adjusting the relative angle of the lenses, the two separate beam waists of the astigmatic beam can be overlapped, resulting in a circular Gaussian beam without astigmatism. We theoretically validate our method, numerically quantify its robustness to experimental imperfections, and experimentally demonstrate its ability to circularize the output beam of a commercial laser source. Our method corrects astigmatism and ellipticity in laser beams without requiring precise focal length matching, offering greater flexibility than other passive solutions and greater cost-effectiveness than active methods. Its simple and compact design makes it well suited for integration into both tabletop optical setups and industrial systems.
• Abstract（参考訳）: レーザービームの不規則性と楕円性を補正することは、顕微鏡、原子物理学、量子情報処理、先進的な製造など多くの応用における性能向上に不可欠である。 円筒型レンズ望遠鏡に基づくパッシブ補正法では、焦点距離が正確に決められたレンズを選択する必要があり、標準カタログ光学を用いた場合のチューニング範囲を効果的に制限する。 回折光学素子に基づく能動解は優れた性能を達成することができるが、それらはかさばる、高価であり、有限回折効率に悩まされ、さらに複雑さが増す。 本稿では,非直交楕円形ビームを非直交性のない円形ガウスビームに変換する簡単な方法を提案する。 この方法は3つの円筒レンズからなる。 第1レンズはその主軸に沿ってビームに焦点を合わせ、強度プロファイルが放射対称な平面を形成する。 第2レンズと第3レンズは、相対的な角度で平面の後方に置き、可変焦点長の2軸レンズ対として機能する。 レンズの相対角度を調整することにより、非直交ビームの2つの別々のビームウエストが重なり合っており、非直交性のない円形ガウスビームとなる。 提案手法を理論的に検証し, 実験的不完全性に対するロバスト性を数値的に定量化し, 商用レーザー源の出力ビームを円化できることを実験的に実証する。 提案手法は,レーザービームのアシグマ性や楕円性を高精度な焦点長マッチングを必要とせず補正し,他の受動解よりも柔軟性が高く,能動法よりもコスト効率が高い。 そのシンプルでコンパクトな設計は、卓上光学装置と産業システムの両方に統合するのに適している。

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