In conventional laser material processing systems the energy distribution available at the work-piece is restricted to a focused spot. Such energy distributions are often not the most efficient or effective for many applications. This thesis proposes the utilisation of diffractive optical elements to shape high power laser beams into complex intensity distributions, thereby overcoming the limitations of conventional laser systems. The research presented demonstrates, for the first time, how processing characteristics and efficiency can be significantly enhanced by tailoring the incident laser energy distribution to take into account the process being undertaken, the material and geometry of the work-piece.

A Holografia Computacional é uma técnica bem conhecida que permite a realização de uma grande variedade de Elementos Ópticos Difrativos. Elementos Ópticos Difrativos são dispositivos ópticos \"moldadores\" de onda projetados com base nas propriedades de difração de suas interfaces micro-estruturadas (ou de seus variáveis índices de refração). Considerando-se sua vasta escala de tecnologias de integração e repetição, usadas na fabricação de circuitos micro-eletrônicos, eles possuem um baixo custo de fabricação. Neste trabalho, o Algoritmo Iterativo da Transformada de Fourier foi aplicado para o cálculo de hologramas de Fourier binários destinados à modelagem da luz laser. A finalidade foi simular as propriedades dos elementos, considerando algumas distribuições luminosas desejadas, e gerar o \"layout\" das máscaras de fabricação destes hologramas. Urna das implementações realizadas, para que os resultados fossem melhorados durante as iterações, foi o cálculo de uma correção na janela de reconstrução que considera o erro de amplitude da reconstrução anterior. A possibilidade de visualizar as reconstruções binárias também é demonstrada, onde o olho humano é tratado como uma lente de Fourier. Um dispositivo óptico difrativo híbrido com perfil binário e contínuo, capaz de dividir um feixe de laser monocromático em um número arbitrário de linhas com um alto ângulo também é apresentado. Hologramas de Fourier de fase contínua e com 4 níveis de fase são implementados utilizando-se o Algoritmo Iterativo da Transformada de Fourier. Cálculos para a geração de hologramas de fase de Fresnel são realizados, combinando o Algoritmo Iterativo da Transformada de Fourier com a propagação da luz no espaço livre. / The Computer Holography is a well known technique that enables one to realize a wide range of Diffractive Optical Elements. Diffractive Optical Elements are optical waveshaping devices designed with base on the diffraction properties of their microstructured interfaces (or refractive-index gradients). They have potential low fabrication cost, considering their very large scale integration and replication technologies used in the fabrication of microelectronics circuits. In this work, the Iterative Fourier Transform Algorithm was applied for the calculation of binary computer generated Fourier holograrns for laser beam shaping. The purpose was to simulate the elements proprieties considering some desired light distributions and to generate the fabrication masks Iayout of these holograms. One of the implementations, performed to improve the results during the iterations, was the calculation of a amplitude correction in the reconstruction window that considers the amplitude error from the previous reconstruction. The possibility to visualize the binary holograms reconstructions is also demonstred, where the human eye is treated as a Fourier lens. A hybrid binary and continuous profile diffractive optical device capable of splitting a monochromatic laser beam into an arbitrary number of tines over wide angle is also presented. Continuous phase and four phase levels Fourier holograms are implemented using the lterative Fourier Transform Algorithm. Fresnel phase holograms calculations are performed by combining the Iterative Fourier Transform Algorithm with the free space light propagation.

A Holografia Computacional é uma técnica bem conhecida que permite a realização de uma grande variedade de Elementos Ópticos Difrativos. Elementos Ópticos Difrativos são dispositivos ópticos \"moldadores\" de onda projetados com base nas propriedades de difração de suas interfaces micro-estruturadas (ou de seus variáveis índices de refração). Considerando-se sua vasta escala de tecnologias de integração e repetição, usadas na fabricação de circuitos micro-eletrônicos, eles possuem um baixo custo de fabricação. Neste trabalho, o Algoritmo Iterativo da Transformada de Fourier foi aplicado para o cálculo de hologramas de Fourier binários destinados à modelagem da luz laser. A finalidade foi simular as propriedades dos elementos, considerando algumas distribuições luminosas desejadas, e gerar o \"layout\" das máscaras de fabricação destes hologramas. Urna das implementações realizadas, para que os resultados fossem melhorados durante as iterações, foi o cálculo de uma correção na janela de reconstrução que considera o erro de amplitude da reconstrução anterior. A possibilidade de visualizar as reconstruções binárias também é demonstrada, onde o olho humano é tratado como uma lente de Fourier. Um dispositivo óptico difrativo híbrido com perfil binário e contínuo, capaz de dividir um feixe de laser monocromático em um número arbitrário de linhas com um alto ângulo também é apresentado. Hologramas de Fourier de fase contínua e com 4 níveis de fase são implementados utilizando-se o Algoritmo Iterativo da Transformada de Fourier. Cálculos para a geração de hologramas de fase de Fresnel são realizados, combinando o Algoritmo Iterativo da Transformada de Fourier com a propagação da luz no espaço livre. / The Computer Holography is a well known technique that enables one to realize a wide range of Diffractive Optical Elements. Diffractive Optical Elements are optical waveshaping devices designed with base on the diffraction properties of their microstructured interfaces (or refractive-index gradients). They have potential low fabrication cost, considering their very large scale integration and replication technologies used in the fabrication of microelectronics circuits. In this work, the Iterative Fourier Transform Algorithm was applied for the calculation of binary computer generated Fourier holograrns for laser beam shaping. The purpose was to simulate the elements proprieties considering some desired light distributions and to generate the fabrication masks Iayout of these holograms. One of the implementations, performed to improve the results during the iterations, was the calculation of a amplitude correction in the reconstruction window that considers the amplitude error from the previous reconstruction. The possibility to visualize the binary holograms reconstructions is also demonstred, where the human eye is treated as a Fourier lens. A hybrid binary and continuous profile diffractive optical device capable of splitting a monochromatic laser beam into an arbitrary number of tines over wide angle is also presented. Continuous phase and four phase levels Fourier holograms are implemented using the lterative Fourier Transform Algorithm. Fresnel phase holograms calculations are performed by combining the Iterative Fourier Transform Algorithm with the free space light propagation.

<p>This research presents the development of a phase-based lithographic system for three-dimensional micropatterning and manipulation. The system uses a spatial light modulator (SLM) to display specially designed phase holograms. The use of holograms with the SLM provides a novel approach to photolithography that offers the unique ability to operate in both serial and single-shot modes. In addition to the lithographic applications, the optical system also possesses the capability to optically trap microparticles. New advances include the ability to rapidly modify pattern templates for both serial and single-shot lithography, individually control three-dimensional structural properties, and manipulate Janus particles with five degrees of freedom.</p><p>A number of separate research investigations were required to develop the optical system and patterning method. The processes for designing a custom optical system, integrating a computer aided design/computer aided manufacturing (CAD/CAM) platform, and constructing series of phase holograms are presented. The resulting instrument was used primarily for the photonic excitation of both photopolymers and proteins and, in addition, for the manipulation of Janus particles. Defining research focused on the automated fabrication of complex three-dimensional microscale structures based on the virtual designs provided by a custom CAD/CAM interface. Parametric studies were conducted to access the patterning transfer rate and resolution of the system.</p><p>The research presented here documents the creation of an optical system that is capable of the accurate reproduction of pre-designed microstructures and optical paths, applicable to many current and future research applications, and useable by anyone interested in researching on the microscale.</p> / Dissertation