新型发光二极管透镜产生局域空心光束

首次提出采用发光二极管和二次光学透镜直接产生单个局域空心光束的方法.首先从几何光学角度分析发光二极管点光源结合二次光学透镜产生局域空心光束的原理,推算出所得局域空心光束长度及最大暗域半径计算公式,随后用数值计算软件Matlab,3D建模软件Soidworks及光学仿真软件Tracepro计算得出一款二次光学透镜并进行了仿真验证.同时计算了可能获得的局域空心光束的最小尺寸和囚禁粒子的散射力.结果显示:该透镜能够产生单个局域空心光束,所得局域空心光束的长度及最大暗域半径都在误差允许范围内与理论计算符合.研究成果为采用发光二极管光源产生局域空心光束提供一种现实可行低成本的有效方法.     

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。     

自成像局域空心光束产生的新方法及粒子俘获

本文提出了产生自成像局域空心光束(self-imaged bottle beams)的一种光学元件------液体轴棱锥.从衍射理论结合几何光学对经过轴棱锥后的光场进行了分析, 得出注入液体折射率小于轴棱锥材料折射率时可产生自成像局域空心光束.并通过软件MathCAD模拟, 得到一个完整周期光束的变换过程和局域空心光束的演变过程.研究发现液体轴棱锥产生的自成像局域 空心光束具有周期及相干长度可调的特点.分析了如何利用自成像局域空心光束对粒子进行俘获, 讨论了用自成像局域空心光束进行多层面粒子俘获的优势.     

圆顶轴棱锥产生多个局域空心光束

首次提出圆顶轴棱锥这一新型光学元件.由衍射理论分析了平面波通过圆顶轴棱锥后的光场强度分布,用软件对光强分布进行仿真.结果表明,平行光通过圆顶轴棱锥后可以形成多个局域空心光束(bottle beam),由于球面波能量在焦点附近高度集中,所得的bottle beam在焦点附近强度极大.通过仿真对比得知用圆顶轴棱锥产生的bottlebeam的暗域周围光强远大于用两束Bessel光束干涉所得,大幅度提高了bottle beam囚禁粒子的效率.通过比较这两种方法产生的bottle beam对粒子囚禁的散射力,证实了圆顶轴棱锥产生bottle beam在粒子囚禁方面更具优势.     

液体轴棱锥产生尺寸可调的单个局域空心光束

提出产生尺寸可调单个局域空心光束(bottle beam)的一种液体轴棱锥新模型.从几何光学角度分析了液体轴棱锥产生局域空心光束的原理,同时利用衍射理论加以模拟验证.得出:注入液体折射率大于轴棱锥材料折射率时可产生单个局域空心光束.通过光学设计软件TraeePro建立液体轴棱锥模型并模拟其光束传输变换特性.计算和模拟不...     

双环透镜聚焦平行光产生局域空心光束

提出并展示了产生单个可调局域空心光束的一种新型元件。该元件由光罩与平凸透镜组成,结构简单,易于生产。该元件可调制平行光产生参数固定的局域空心光束,通过更换光罩可在较大范围内实现局域空心光束的尺寸调谐。从应用光学角度分析了新型元件的成像原理,推出了产生局域空心光束的参数公式。依据衍射积分理论推导出了元件后方的光场分布公式并用Matlab进行数值模拟,使用He-Ne激光作为光源,实验拍摄了局域空心光束的截面光强分布,实验结果与仿真模拟基本吻合。     

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.     

环形光束产生局域空心光的几何光学分析与实验

提出一种用环形光束产生局域空心光的新方法,即用环形光束垂直入射锥透镜底面,沿光轴方向就会产生局域空心光。用几何光学分析模拟了环形光束产生的局域空心光的过程和传输方向上不同位置的截面光强分布,推导了局域空心光暗域的横向和径向大小的计算式,分析了影响局域空心光暗域的大小的因素,并给出相关的实验结果,实验与理论基本吻合。与双锥透镜、锥透镜-透镜产生局域空心光相比,这种方法结构简单,元件容易加工,具有重要的应用价值。     

相干贝塞尔光产生具有塔尔博特效应的局域空心光束

提出一种由轴棱锥产生的贝塞尔光干涉整形得到具有自成像塔尔博特效应的近似无衍射局域空心光束的新方法。详细分析了两束相干同频率贝塞尔光的相互作用原理及其如何控制局域空心光束的空间尺寸。数值模拟了干涉叠加后光场沿传输距离变化的光强分布及一个完整周期内光强的演变和局域空心光束的形成过程,给出了相干贝塞尔光产生局域空心光束的个数及局域空心光束最大无衍射距离的表达式。     

高度聚焦的余弦高斯光束对瑞利粒子的辐射力分析

通过数值计算,得出了聚焦后的余弦高斯光束在瑞利粒子上产生的辐射力在整个空间的分布情况.研究发现,利用余弦高斯光束操控粒子是可行的,且利用余弦高斯光束能同时对高折射率粒子和低折射率粒子进行俘获. 关键词： 余弦高斯光束 光陷俘 辐射力     

相干和非相干合成光束对金属瑞利粒子的光学俘获

研究了两光束的合成方式(相干和非相干合成)对俘获金属瑞利粒子的辐射力和稳定性的影响,着重研究了辐射力与合成方式、离轴距离、相干参数和粒子半径的关系.结果表明,不同合成方式下,离轴距离和相干参数都分别存在临界值d_c和α_c,在0d_c或α>α_c时,焦面处光强呈中心凹陷分布,此时横向梯度力不能作为回复力俘获金属瑞利粒子.在0<d≤d_c时,与非相干合成光束比较,相干合成光束在焦面处光强、辐射力、俘获刚性和纵向俘获范围更大.因此,适当选择合成方式,较小离轴距离和较低相干参数可有利于合成光束对金属瑞利粒子的俘获.     

飞秒光镊技术及其发展

激光捕获技术是利用光辐射力来捕捉、移动和操纵微粒的先进技术。飞秒光镊在实现粒子微纳操纵的同时还伴随着非线性现象的发生。阐述了飞秒光镊的模型和原理以及系统的各种结构形式,包括单光束梯度力光阱、贝塞耳光阱、双光束光纤光阱和冲击波光阱几种形式,并分析了每种形式的特点。     

Theoretical comparison of optical traps created by standing wave and single beam

We used generalised Lorenz–Mie scattering theory (GLMT) to compare submicron-sized particle optical trapping in a single focused beam and a standing wave. We focus especially on the study of maximal axial trapping force, minimal laser power necessary for confinement, axial trap position, and axial trap stiffness in dependency on trapped sphere radius, refractive index, and Gaussian beam waist size. In the single beam trap (SBT), the range of refractive indices which enable stable trapping depends strongly on the beam waist size (it grows with decreasing waist). On the contrary to the SBT, there are certain sphere sizes (non-trapping radii) that disable sphere confinement in standing wave trap (SWT) for arbitrary value of refractive index. For other sphere radii we show that the SWT enables confinement of high refractive index particle in wider laser beams and provides axial trap stiffness and maximal axial trapping force at least by two orders and one order bigger than in SBT, respectively.     

Experimental results on the photophoretic motion and radiometric trapping of particles by irradiation with laser light

An experimental observation of the photophoretic motion of micro-sized particles suspended in air has been performed using the radiometric force from a continuous laser beam. The irradiation was used to trap the particles in a confined optical field and to levitate them. Complex photophoretic motion of the particles was observed in the focus of the beam.     

激光捕获技术及其发展

激光捕获技术是利用光辐射力来捕捉、移动和操纵微粒的先进技术。光镊即单光束梯度力光阱是通过在高度会聚的激光束束腰附近所产生的极高的场强梯度来形成皮牛顿量级的力,可以三维地捕获和操纵微小粒子。阐述了激光捕获技术的模型和原理以及系统的基本结构;追踪了激光捕获技术的最新研究进展;介绍了非高斯型光阱、光纤光阱和全息光镊等几种特殊形式,并分析了每种形式的特点。展望了激光捕获技术的发展前景。     

红外显微观测被俘获吸光性颗粒

光镊技术被广泛应用在俘获和操纵微纳米尺寸颗粒, 目前被研究学者普遍接受的俘获吸光性颗粒的机理为光泳力. 本文实现了对空气中被俘获的吸光性颗粒的红外显微观测. 当激光器功率为1.0 W时, 成功观测到被俘获墨粉颗粒(直径约7 μm)和甲苯胺蓝颗粒(直径约为1–20 μm)的温升约为14 K, 为光泳力理论提供了强有力的证据. 另外, 首次用可见光显微镜和红外显微镜同时观测到被俘获颗粒的周期振荡现象, 并分析了振荡现象的产生机理. 关键词： 光镊 光俘获 红外显微     

A theoretical study of the feasibility of acoustical tweezers: ray acoustics approach

The optical tweezer has been found to have many biomedical applications in trapping macromolecules and cells. For the trapping mechanism, there has to be a sharp spatial change in axial optical intensity and the particle size must be much greater than the wavelength. Similar phenomenon may exist in acoustics. This work was undertaken to demonstrate theoretically that it is possible to acoustically trap particles near the focal point where most of the acoustic energy is concentrated if certain conditions are met. Acoustic force exerted on a fluid particle in ultrasonic fields is analyzed in a ray acoustics regime where the wavelength of acoustic beam is much smaller than the size of the particle. In order to apply the acoustical tweezer to manipulating macromolecules and cells whose size is in the order of a few microns or less, a prerequisite is that the ultrasound wavelength has to be much smaller than a few microns. In this paper, the analysis is therefore based on the field pattern produced by a strongly focused 100 MHz ultrasonic transducer with Gaussian intensity distribution. For the realization of acoustic trapping, negative axial radiation force has to be generated to pull a particle towards a focus. The fat particle considered for acoustic trapping in this paper has an acoustic impedance of 1.4 MRayls. The magnitude of the acoustic axial radiation force that has been calculated as the size of the fat particle is varied from 8lambda to 14lambda. In addition, both Fresnel coefficients at various positions are also calculated to assess the interaction of reflection and refraction and their relative contribution to the effect of the acoustical tweezer. The simulation results show that the feasibility of the acoustical tweezer depends on both the degree of acoustic impedance mismatch and the degree of focusing relative to the particle size.     

Optical vortex beams for trapping and transport of particles in air

In this paper we show that laser beams containing phase singularity can be used for trapping and guiding light-absorbing particles in air. The experiments were performed with agglomerates of carbon nanoparticles with the size in the range 0.1–10 μm; the typical cw laser power was of a few mW. The stability of open-air three-dimensional trapping was within ±2 μm in both the transverse and the longitudinal directions. The particle position on the beams axis within the trap can be controlled by changing the relative intensity of two beams. The distinguishing feature of the trapping strategy is that particles are trapped at the intensity minimum of the beam, thus with minimum heating and intervention into the particle properties, which is important for direct studies of particle properties and for air-trapping of living cells.     

瑞利粒子在贝塞尔光束中的横向受力

 为寻找捕获瑞利粒子的最佳光场,利用电磁模型推导了贝塞尔光束捕获粒子的最小半径的表达式,并数值计算了瑞利粒子在贝塞尔光束和高斯光束中所受的横向力和势阱的深度。结果表明:当激光功率为4 W时,贝塞尔光束仅能在光轴处稳定地捕获瑞利粒子;当激光功率达到6 W时,贝塞尔光束能够在光轴和次极大位置捕获瑞利粒子。在相同的激光参数条件下,高斯光束无法克服布朗运动的影响稳定地捕获瑞利粒子,贝塞尔光束更有利于捕获瑞利粒子。