空心光束的产生及其在现代光学中的应用

近年来,随着激光应用技术的发展,各种中心强度为零的激光束被相继产生,并正在形成一个新颖的所谓空心光束(也称暗中空光束)的大家族。作为激光导管、光学镊子(光钳)和光学扳手,空心光束在微观粒子(如微米粒子、纳米粒子、自由电子、生物细胞和原子或分子等)的精确、无接触操纵和控制中有着广泛的应用。本文将首先给出空心光束的定义及其参数,并详细介绍各种空心光束产生的基本原理、方法及其实验结果。其次,就空心光束的分类及其应用场合进行了简单归纳与讨论。最后就空心光束在微观粒子(包括微米粒子、纳米粒子、生物细胞和自由电子等)的光学囚禁与操控中的应用进行简要综述,并就空心光束的产生与应用及其未来研究与应用前景进行了简短总结与展望。

空心光束的研究进展

各类空心光束都有其新颖独特的物理性质,这使得其在实现微观粒子的光学囚禁与四维操控以及冷原子的激光导引、漏斗等方面有着非常广泛的应用。文章简要概述了常见的几类空心光束的性质、产生方法及其应用,介绍了近几年来国内外的一些最新研究进展情况,并就空心光束的未来研究和应用进行了展望。

新型组合正轴棱锥产生局域空心光束

提出了一种产生局域空心光束(Bottle beam)的新型光学元件,此元件由两个底面半径不等的正轴棱锥胶合而成,具有结构简单、容易加工等优点。研究了其沿径向分布不同部分光线的ABCD传输矩阵,通过几何光学分析了其产生Bottle beam的原理,数值模拟了平面波通过此新型光学元件后的纵向光场分布和沿轴向不同距离处的二维光斑图。为产生Bottle beam提出了一种新方法,对Bottle beam在光镊、光捕获等方面的应用有较好的指导意义。

一种新型环形上DBR刻蚀微结构VCSEL及其空心光束

设计了带有质子注入高阻区的刻蚀微结构面发射半导体激光器结构,使得从出光口到上DBR形成环形波导,进而直接产生空心激光束输出。使用FDTD软件计算了刻蚀微结构VCSEL的光场分布,得到的环形模式图样在不同模式数目下都能保持空心光束的特性。制备了室温下激射波长为848 nm的微结构VCSEL,并测试其输出特性。阈值电流为0.27 A,峰值功率最高可达170 mW。不同电流下的近场图都显示出非常明显的空心环形光斑,远场光强分布曲线也符合空心光束的特性。该新型VCSEL技术为空心光束甚至阵列器件的发展提供了一种新的方法。

圆顶轴棱锥底角及焦距对局域空心光束的影响

从衍射理论导出圆顶轴棱锥后的光场分布,用软件对圆顶轴棱锥后的光强进行仿真,结果表明,圆顶轴棱锥可以得到多个局域空心光束。分别改变圆顶轴棱锥的底角和顶端平凸透镜的焦距,再用软件对圆顶轴棱锥后的光强进行仿真,所得光强分布表明,圆顶轴棱锥的底角影响局域空心光束的周期和暗域数量,而顶端平凸透镜的焦距主要影响局域空心光束中暗域的数量,对周期几乎没有影响。在实际应用中可通过调节参量得到所需要局域空心光束。

部分相干光对周期性局域空心光束的影响

用旋转毛玻璃和光阑把激光变成部分相干光,再经过双轴棱锥系统把一束平行光变成两束同频率但不同径向波矢分量的无衍射贝塞尔光,相干叠加产生了部分相干的周期性局域空心光束.通过干涉理论与实验结果相互佐证,得出局域空心光束的周期为2.5 mm.进一步探究入射光场相干度对产生局域空心光束的影响,发现随着相干度的降低,局域空心光束中心暗斑与周围光强的衬比度会降低,但不影响局域空心光束的周期以及中心暗斑尺寸.

局域空心光束的描述

分析几何光学理论、干涉理论和衍射理论对局域空心光束传输特性的描述.对由轴棱锥-透镜系统产生的局域空心光束的描述进行对比分析,并给出相关的实验.几何光学属于近轴近似下的光学,与实际情况有所差异.干涉理论的分析方法比几何光学方法精确,能够数值计算出聚焦透镜置于最大准直距离之外及在聚焦透镜焦平面以后的光束行为,得到与几何光学分析所得出的,当z0<f<zmax将产生中空光束的不同结论.衍射理论分析法清晰展示局域空心光束及无衍射光束重建的特性.

基于调制光束的空间相干性获得局域空心光束

通过调制部分相干光的空间相干性,实现了局域空心光束的产生。理论上根据范西泰特-策尼克定理及标量衍射积分,构造出具有一定空间相干性的部分相干光,并研究其聚焦特性。实验上采用理论上要求的光学系统来构造具有特定空间相干性的部分相干光,并采用薄透镜聚焦部分相干光。研究表明,当构造出的部分相干光经透镜聚焦,可得到局域空心光束。研究了光学系统的参数及透镜焦距对产生局域空心光束的影响,结果显示:光阑的拦截比及透镜的焦距越大,获得的空心光束的尺寸就越大。

利用纯相位型液晶空间光调制器实现空心光束

为了提高激光系统的整体效率,需要将出射光强整形为空心分布。采用纯相位型液晶空间光调制器整形近高斯分布光强到空心分布。基于能量守恒定律和等光程原理,分析了纯相位型液晶空间光调制器光束整形系统,得出了整形系统所需的相位分布。采用衍射光学方法,数值模拟了整形效果,讨论了入射光束束腰半径和强度分布等因素对整形效果的影响。利用纯相位型液晶空间光调制器实验实现了空心光束,实验测得的转换效率大于99%。

利用部分相干效应获得局域空心光束

研究一种特殊的部分相干光束经透镜聚焦后,在几何焦点附近的三维光强分布.结果表明,几何焦点附近的聚焦光强分布不仅依赖于入射部分相干光的光强分布,还依赖于入射光的空间相干度.据此,可以通过选择合适的空间相干度,产生部分相干局域空心光束.此外,还研究入射部分相干光束的相干度和菲涅耳数对局域空心光束的影响.结果显示,对于相干度一定的部分相干光束,当菲涅耳数小到一定程度时,部分相干局域空心光束的现象将消失.

基于泵浦脉冲诱导等离子体通道的空心光束产生

利用飞秒脉冲诱导生成的具有渐变折射率分布的等离子体通道产生空心光束.当飞秒脉冲在非线性介质中传输时将电离产生等离子体通道,该等离子体通道具有渐变的折射率分布,等离子体通道中激光束只能在电子密度低于临界等离子体密度的区域传播,故当探测光束在等离子体通道边缘传输时将偏转形成空心光束.当泵浦光束功率为8mW时,探测光束转变为典型的空心光束结构;当泵浦光束的入射功率、重复率或等离子体通道中轴向电子密度改变时,等离子体通道中可供探测光束通过的区域将随之发生改变,这将导致空心光束中黑斑的面积发生变化.因此通过调节泵浦光束的入射功率和重复率可以控制产生空心光束的黑斑大小.

空心光束尺寸的精确调控

提出一种利用环缝精确调控空心光束尺寸的新方法.首先用环缝和旋转毛玻璃产生非相干准单色的环形光源,再经过薄透镜聚焦后产生空间相干度按第一类零阶贝塞尔函数分布的贝塞尔-谢尔模型光场,最后通过轴棱锥对贝塞尔-谢尔模型光场的线聚焦,产生空心光束.通过改变环缝大小控制非相干环形光源尺寸,对贝塞尔-谢尔模型光场的空间相干度分布进行调制,从而精确控制空心光束尺寸.应用广义衍射积分理论以及贝塞尔-谢尔模型描述该光学系统所产生的光场分布.设计相关实验进行验证,理论分析、数值模拟与实验结果相符合.该研究成果对不同尺寸粒子的微操控提供有力的手段.

非傍轴矢量异常空心光束的传输特性

将Cai提出的异常空心光束的理论模型推广到非傍轴范畴,推导出非傍轴矢量异常空心光束传输的解析表达式,用以研究它在自由空间中的传输特性。研究表明,异常空心光束在传输过程中光束形状会发生变化。与高斯光束不同,非傍轴异常空心光束傍轴近似成立条件依赖于传输距离,这与异常空心光束光强分布随传输距离的变化有关。非傍轴异常空心光束远场的光束质量可用桶中功率来描述,桶中功率随f参数(波长与束腰宽度的比值)的增大而减小。

Bessel光束与平面波相干产生局域空心光束

提出一种利用Bessel光束与平面波叠加得到周期性局域空心光束(bottle beam)的新方法.利用菲涅尔积分衍射理论推导得到Bessel光束与平面波叠加的光场表达式,通过Mathcad软件数值模拟两光场相干叠加的轴向和截面光强分布图,分析入射光束半径对局域空心光束的强度和周期的影响.结果表明:平面波与Bessel光束相干叠加能形成周期性的局域空心光束,随着光束半径的减小,轴上光强的峰值降低,同一段距离内得到的局域空心光束数量减少.

利用LCD相位调制获得高效率空心光束

空心光束由于具有一系列特殊物理性质,所以它在对微观粒子的三维操控技术中占据了极其重要的地位。本文提出采用LCD对入射激光进行相位调制得到高衍射效率空心光束的方法。文章研究了螺旋波的特性,分析了LCD相位调制的原理,在LCD上作出螺旋波的实时纯相位图对入射光进行相位调制,获得具有高衍射效率的空心光束。实验结果表明,采用LCD相位调制方法产生空心光束不但具有实时可调,方便、精确的优点,还具备高衍射效率。

椭圆对称奇异空心光束通过硬边光阑的传输特性

通过将圆孔光阑函数展开为有限复高斯函数和的方法,利用惠更斯-菲涅耳衍射积分推导出了椭圆对称奇异空心光束通过具有圆孔光阑的近轴ABCD光学系统的传输近似解析公式,并对椭圆对称奇异空心光束在自由空间中通过不同孔径下的硬边光阑的传输特性进行了数值模拟研究。结果表明:自由空间中的近轴光学系统无论在近场还是远场,椭圆对称奇异空心光束的衍射光强分布都与光阑大小有很大的关系。该研究方法对椭圆对称奇异空心光束通过具有圆孔光阑的传输和变换的研究非常有益。

梯度折射率介质中可控空心光束的传输特性

为了研究可控空心光束在梯度折射率介质中的传输特性,采用广义惠更斯-菲涅尔积分公式,推导出可控空心光束在梯度折射率介质中通过旁轴ABCD光学系统后的一般传输公式。在此基础上,结合光强二阶矩的方法,给出了相应的一般束宽变换公式。通过数值分析研究了梯度折射率介质传输场中强度分布和均方根束宽的变化特点,讨论了介质梯度折射率系数、空心光束的阶数、控制参数p对传输特性的影响。研究结果表明,在梯度折射率介质中,可控空心光束轴上光强和束宽随着传输距离呈现周期性变化。空心光束的阶数和控制参数p对光强分布和均方根束宽影响较大。并且在光强峰值位置处,光强分布不再保持原来暗中空的特性,而是迅速变为类高斯分布。

锥台和轴棱锥系统产生的尺寸可调局域空心光束

为了解决现有光学系统产生局域空心光束尺寸不易调整的问题,提出了一种由不同底角的锥台和正轴棱锥组合而成的新型光学系统。采用衍射积分和汉克尔波理论对该系统的光束变换特性进行了分析,可知平面波通过新型光学系统后将产生局域空心光束,且通过改变两个光学元件之间的相对位置可以调节局域空心光束的尺寸。在此基础上结合几何光学理论给出局域空心光束相关参量的计算公式;并采用光学分析软件TRACEPRO模拟了新型光学系统中局域空心光束不同位置处的光强分布及其随锥台与正轴棱锥之间距离的变化。结果表明,软件模拟的结果与理论分析的结果基本一致,新型光学系统能够产生尺寸可调的局域空心光束。

聚焦异常空心光束的焦移

基于柯林斯衍射积分公式推导出了异常空心光束通过薄透镜聚焦后的解析表达式。运用导出公式,通过数值计算分析了异常空心光束聚焦区域的光强分布,并对异常空心光束的焦移特性进行了研究,详细讨论了光束有效菲涅耳数、光束形状和光腰位置对焦移的影响。研究结果表明:聚焦异常空心光束的轴上光强最大点不与几何焦点重合,而是偏离几何焦点。通过选择合适的光束参数和光学系统,异常空心光束将发生异常空心光束的焦移,其焦移量不仅依赖于光束有效菲涅耳数,而且依赖于光束椭圆率以及光束入射面与透镜的距离。