亚微米局域空心光束的产生及其在单原子囚禁与冷却中的应用理论研究

提出了一种采用单模光纤、环形二元相位板和微透镜组成的光束整形系统产生亚微米局域空心光束的方案. 根据瑞利-索莫菲衍射积分公式, 数值计算了微透镜焦平面附近的场分布, 详细研究了空心光束的暗斑尺寸与单模光纤模场半径和微透镜焦距的关系. 数值计算结果表明: 在微透镜焦平面附近光场分布近似对称, 在焦点处场强近似为零, 周围场强逐渐增大, 形成半径约为0.4 μm的三维封闭的球形空心光场区域, 即亚微米局域空心光束. 当局域空心光束为蓝失谐时, 光场中的原子将被囚禁在光场最弱处. 若加上抽运光, 原子将受到蓝失谐局域空心光束与抽运光共同激发的强度梯度Sisyphus冷却. 本文利用该方案产生的亚微米局域空心光束构建单原子的囚禁与冷却器件, 并以单个⁸⁷Rb原子为例, 利用Mont-Carlo方法研究亚微米局域空心光束中单原子囚禁与强度梯度冷却的动力学过程, 结果表明利用该器件可以获得温度在5.8 μK量级的超冷单原子.     

中性原子在单束局域空心光束中的Sisyphus冷却

我们提出了一种采用径向分布的π位相板产生局域空心光束的新方法。研究发现局域空心光束的径向暗斑尺寸与相对孔径的倒数的一次方成正比，而轴向暗斑尺寸与相对孔径的倒数的二次方成正比，这表明改变聚焦透镜的焦距，即可有效地改变局域空心光束的暗中空区域。此外，在焦点附近局域空心光束的强度梯度很大，当它处于蓝失谐时，由强度梯度感应的Sisyphus冷却效应将非常显著。因此，蓝失谐的局域空心光束不仅可用于中性原子的激光囚禁，而且也可用于中性原子的激光冷却。我们采用Monte-Carlo模拟方法就中性原子在单束局域空心光束中的Sisyphus冷却的动力学过程进行了理论研究。结果表明一个温度约为3μΚ和密度为～1012atoms/cm3的超冷原子样品可以在我们的单束局域空心光束囚禁中获得。进一步的理论分析表明如果通过改变聚焦透镜的焦距来压缩上述超冷原子样品，将光阱中的原子密度控制在碱金属原子的BEC密度范围之内，并同时采用光学势蒸发冷却技术，将原子温度进一步冷却至光子反冲温度附近时，一个全光学冷却与囚禁的碱金属原子BEC也许能在我们的单束局域空心光束势阱中实现。     

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。     

Tight focusing properties of double-ring-shaped azimuthally polarized beam through annular high numerical aperture

基于Richards-Wolf矢量衍射积分公式,研究了双环角向偏振光束经环状高数值孔径透镜的聚焦特性,推导了双环角向偏振光束经环状透镜深聚焦的光强表达式.根据数值模拟结果,比较了相关参量的变化对深聚焦特性的影响.研究表明:入射光束经环状高数值孔径透镜聚焦后,在焦平面得到了具有广泛应用的亚波长空心光斑,并且入射光束的相关参数和聚焦透镜的数值孔径大小都会影响光束的聚焦特性,使聚焦空心光斑达到亚波长量级;双环角向偏振光束经环状高数值孔径透镜的聚焦以后,在焦平面附近产生了一个更长的焦深(约28倍入射光波长).     

用波晶片产生可调矩形空心光束

提出了用波晶片产生可调矩形空心光束的新方案,根据晶体的双折射性质设计波晶片的厚度分布,使波片分别对o光、e光形成4台阶相位板和π相位板,线偏振光垂直于波晶片表面入射,便可获得截面为矩形的空心光束。调节透光窗口的长和宽,则可调节空心光束截面的长与宽之比,光路简单,调节方便。用长焦距透镜组和圆锥面棱镜组成的光学系统聚焦衍射光,可获得近似无衍射矩形空心光束;用高数值孔径透镜聚焦,可获得矩形"空心饼"光束。     

双曲正弦-高斯光束的像散透镜聚焦性质与暗空心光束产生

基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,推导了双曲正弦-高斯光束通过像散透镜聚焦的场分布解析表达式,并用数值计算研究了双曲正弦-高斯光束在像散透镜焦平面上或焦平面附近的光强分布与相位特性。理论分析与数值计算结果表明,选择适当的光束参数与像散透镜结构参数,可以使双曲正弦-高斯光束经像散透镜后转换为具有涡旋的暗空心光束,其拓扑荷指数为1。此外,还对影响场强度分布与相位分布的光束参数与透镜参数进行了分析讨论。特别地,透镜的像散是双曲正弦-高斯光束经像散透镜聚焦产生暗空心涡旋光束的关键控制因素,利用合适的像散透镜可获得相当长度的理想暗空心光管。     

双环角向偏振光束深聚焦特性

基于Richards-Wolf矢量衍射积分公式,研究了双环角向偏振光束经环状高数值孔径透镜的聚焦特性,推导了双环角向偏振光束经环状透镜深聚焦的光强表达式。根据数值模拟结果,比较了相关参量的变化对深聚焦特性的影响。研究表明:入射光束经环状高数值孔径透镜聚焦后,在焦平面得到了具有广泛应用的亚波长空心光斑,并且入射光束的相关参数和聚焦透镜的数值孔径大小都会影响光束的聚焦特性,使聚焦空心光斑达到亚波长量级;双环角向偏振光束经环状高数值孔径透镜的聚焦以后,在焦平面附近产生了一个更长的焦深（约28倍入射光波长）。     

衍射理论对局域空心光束及无衍射光束重建的描述

利用衍射理论导出了局域空心光束的传输表达式及光强分布,给出了局域空心光束的精细结构,详细分析了其演变过程。讨论了聚焦透镜的焦距f对径向暗域最大尺寸及轴上暗域长度的影响。结果表明,径向暗域最大尺寸及轴上暗域长度都随着f的增大而增大。通过轴棱锥-透镜系统获得局域空心光束,用体视显微镜和CCD照相机组成的系统拍摄光束强度分布。结果表明应用衍射理论可以较精确地描述局域空心光束的演变过程。找出了其应用中的不利因素,更清晰地展现无衍射光束的重建现象。这种描述方法弥补了几何理论和干涉理论的不足。     

异常空心光束通过球差光阑透镜的聚焦和在焦区的位相奇异特性

研究了用德拜公式对异常空心这类新型光束经过光阑透镜后的聚焦特性.结果表明,异常空心光束的形状一般不能保持传输不变性,但选择合适的截断参数和球差异常空心光束在一定位置可保持其初始光强分布近似不变.在焦区位相奇点会出现移动、产生和湮灭,并与截断参数、球差和光阑透镜半角有关.当无球差时,出现鞍点,奇点对的湮灭过程与鞍点对湮灭相伴发生,导致亚波长结构.用计算例对结果做了说明,并与文献中已有工作做了比较. 关键词： 异常空心光束 球差光阑透镜 位相奇点     

端侧面组合抽运DPL热透镜效应研究

通过数值计算发现：在端侧面组合抽运DPL中,晶体横截面上的温度分布接近于轴对称分布,并且端面抽运功率占有率越大,温度分布越接近于轴对称分布。将端侧面组合抽运DPL中的热效用等效薄透镜近似,给出了等效热透镜焦距的计算方法,分析了组合抽运引起的热透镜效应对基横模振荡光的光斑尺寸和衍射损耗的影响。在总抽运功率一定的情况下,端面抽运功率占有率的变化对热透镜焦距有一定的影响,占有率越大,热透镜焦距越长。提高端面抽运功率占有率,可在一定程度上减小热透镜效应对振荡光束尺寸和衍射损耗的影响。     

轴棱锥——透镜系统的光束传输与变换

对平面波经过轴棱锥--透镜系统的整个演绎过程进行详细的理论分析,数值模拟和实验验证.平面波经过轴棱锥产生横向光场不变的近似无衍射光,在最大无衍射距离内加入合适透镜将产生局域空心光束(Bottlebeam),而空心光束的尺寸可通过改变透镜焦距进行控制.当光束继续传播,贝塞尔(Bessel)光发生自重建(Self-reconstruction),但重建的Bessel光将会发散,光强随着传播距离增大而迅速下降,且中心亮斑尺寸也迅速增大.通过引入另一聚焦透镜对光束进行修正,恢复了Bessel光束的无衍射的特性.利用显微镜-CCD光束分析系统获得不同传播距离的截面光强分布,实验结果和理论分析及数值模拟相吻合.     

局域中空光束中原子的强度梯度冷却

提出了一种采用蓝失谐局域中空光束实现中性原子冷却与囚禁的新方法，并采用Monte-Carlo模拟方法研究了局域中空光束中原子强度梯度冷却（即Sisyphus冷却）的 动力学过程. 研究发现一个温度约为5μK和密度为10^12—10^13cm^3的超冷原子样品可以在我们的单束局域中空光束势阱中获得，而且这一原子密度可通过改变聚焦系统的相对孔径来加以调控. 因此，这一蓝失谐的局域中空光束还可用于实现全光型玻色-爱因斯坦凝聚. 关键词： 局域中空光束 原子囚禁 强度梯度冷却     

聚焦高阶Bessel-Gauss光束重建的理论和实验研究

提出利用薄透镜元件对聚焦后的高阶Bessel-Gauss光束进行重建. 基于衍射理论, 分析了高阶Bessel-Gauss光束聚焦后的重建行为, 数值模拟高阶Bessel-Gauss光束经薄透镜聚焦再通过另一薄透镜重建的三维光场分布和截面光强分布图. 结果表明, 高阶Bessel-Gauss光束经单个薄透镜后产生中空的局域空心光束, 在焦点位置处为圆环, 尔后迅速发散; 在焦点后合适位置处放入另一薄透镜可矫正焦点后发散的光束, 使得其后光场不变, 仍满足Bessel分布; 实验结果与理论分析相符合. 研究结果对光镊、粒子捕获与操控具有一定的指导意义. 关键词： 衍射理论 传输矩阵 高阶Bessel-Gauss光束 重建     

相衬显微镜与泽尔尼克

一、相衬显微镜的基本原理及应用1.基本原理 相衬显微技术的关键是把人眼无法直接观察到的位相变化转变为可以直接观察到的强度变化.设位相物体是透明度很高的物体,光波通过该物体后,只改变波的位相,波振幅不变.把该物体放在透镜的物平面上,由于位相物体各部分的光学厚度不同,其复振幅透射系数可写为 f(x,y)=exp[1](1)式中(x,y)为该位相物体的位相分布函数.在透镜的后焦平面(即频谱面)上,f(x,y)的傅里叶变换为(2)式中u=x/λf,υ=y/λf是频谱面上的坐标,也是二维空间函数f(x,y)沿x方向和y方向的空间频率;f为透镜焦距.λ为入射光波K.在应用相…     

随机电磁涡旋光束的深聚焦特性

基于德拜矢量积分理论,研究了随机电磁涡旋光束经过大数值孔径透镜之后的聚焦特性及透镜的数值孔径、入射光束的偏振度、拓扑荷以及横向相干长度对焦平面附近聚焦光束的光强分布和相干度的影响.结果表明:适当地选择相关参量,可在焦平面上得到椭圆形光斑的光强分布以及平顶光强分布.随机电磁涡旋光束在焦平面上同一点处两个相互垂直分量之间的...     

高次方涡旋光束经大数值孔径透镜的聚焦特性

为了获得多种类型的波长量级聚焦光斑,研究了一种新型涡旋光束,高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜的聚焦。基于矢量德拜积分公式,理论上研究了线偏振的高次方涡旋光束经过大数值孔径透镜的聚焦特性。研究了涡旋光束的拓扑荷数和幂次方数对聚焦平面光强和电场x分量的相位分布的影响。研究结果表明,通过控制涡旋光束的拓扑荷数和幂次方数可以产生不同类型的聚焦光强分布,例如尺寸约为2个波长大小的实心和空心型聚焦光斑。此外,与普通的涡旋光束聚焦不同,高次方涡旋光束聚焦后的奇点并不在焦点处。这些特殊的聚焦光斑有望在微粒的操控等领域中得到应用。     

高斯光束通过失调透镜系统的聚焦特性

为分析透镜系统中圆孔光栏和透镜失调对高斯光束聚焦特性的影响,利用椭圆光栏近似展开式和失调光学系统的广义衍射公式,推导高斯光束经含圆孔光栏失调透镜系统传输的近似解析式,得到输出光束光强极大值场分布与光束参量、孔径尺寸、光栏和透镜失调量之间的关系。针对特定透镜系统,定量分析失调量对输出光束聚焦特性的影响。结果表明:各元件的失调对输出光束聚焦特性均产生影响,在失调量较小时透镜横位移对输出光束聚焦特性的影响比透镜角位移对输出光束聚焦特性的影响更明显。     

利用球差透镜获得平顶激光光束

本文根据Huygens-Fresnel衍射积分计算高斯光束经过球差透镜的聚焦。数值计算结果表明,当透镜的球差系数为负时,在聚焦光场的两个位置,可得到平顶的激光光束。并且,透镜的负球差系数越大,得到的平顶激光光束越平坦。     

随机位相菲涅耳透镜阵列激光束匀化

为降低干涉带来的影响,将一种随机位相分布引入菲涅耳透镜阵列,对阵列中每一个菲涅耳透镜施加0或π的二值化位相变化,打乱阵列位相的周期性排布,减少微透镜后多光束在匀化面干涉带来的影响.通过数值计算对激光束的匀化过程进行了模拟,设计的菲涅耳透镜口径为0.5 mm,焦距为6mm,阵列数目为20×20,光斑整体均匀度达到90%,光束能量利用率达到96%.利用设计和制备的16台阶随机位相型菲涅耳透镜阵列对1 064nm波长的激光光束进行匀化,均匀度为83%,光束能量利用率为89%.研究结果表明,通过引入随机位相可有效减少干涉带来的影响,提高微透镜阵列对单模高斯光束的匀束效果.     

激光热透镜效应及其等效焦距测量实验设计

基于共轴双光束干涉法设计了激光热透镜效应及其等效焦距测量装置.使用厚度约为200μm的薄酱油层样品作为观察热透镜效应的介质,将其置于半导体激光器的汇聚点上,可以在光屏上观察到同心衍射圆环,定性演示激光热透镜效应,并对热透镜的等效焦距进行定量测量.实验结果显示:薄酱油层在半导体激光照射下产生的热透镜效应可等效为凹透镜;基于共轴双光束法的热透镜等效焦距测量较为准确,利用Origin软件对8组实验数据进行线性拟合,相关系数为0.997.