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。     

幂指数相位涡旋光束用于微粒操控

实验验证了一种利用幂指数相位涡旋光束(PEPV)操控微粒的方法。该方法基于幂指数相位涡旋光束理论,产生不同拓扑荷数与方位角幂指数大于1的涡旋光场的相位全息图,并将该全息片经计算机输入到空间光调制器(SLM)上用于调制入射激光光束。利用透镜对被调制光束进行傅里叶变换,利用光阑在频域对衍射光斑进行筛选和过滤,并利用倒置高倍光学显微镜将光束成像于载物台样品上。利用该幂指数相位涡旋光束对微米级粒子实现了定向光学输运。研究结果表明,该光束在粒子的定向输送与收集方面有独特的功能,将进一步拓展光学涡旋光束的实际应用范围。     

物理光学 其他

O4362007043071空心光束的研究进展=Progress in hollow beams[刊,中]/黄慧琴(浙江大学光学研究所.浙江,杭州(310027)),赵承良…//激光与红外.?2007,37(4).?300-303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     

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.     

非线性晶体产生的空心光束中大尺寸粒子囚禁与导引

提出了一种基于非线性ZnSe晶体产生的空心光束与光泳力的大尺寸粒子二维囚禁与一维导引、三维囚禁方案.理论上分析并计算了单个非线性ZnSe晶体产生的空心光束内粒子受到的横向与纵向光泳力,纵向光泳力的大小同粒子尺寸与光束尺寸比例的四次方成正比,与空心光束功率成正比,方向与光束传播方向一致.粒子尺寸与空心光束尺寸越接近时,横向光泳力的大小越大.结果表明该光泳力可以实现对大尺寸粒子的二维囚禁,同时可对粒子进行长距离(米量级)一维定向导引;理论上分析并计算了基于双非线性ZnSe晶体产生的局域空心光束内粒子所受横向与纵向光泳力情况,光泳力与系统参数的依赖关系与单个非线性晶体产生的空心光束中的粒子受力情况类似,不同的是该条件下纵向光泳力指向光束中心.结果表明该局域空心光束可以实现大尺寸粒子的三维有效囚禁.基于非线性ZnSe晶体产生的空心光束或者局域空心光束可以作为大尺寸粒子非接触式有效操控的工具,在现代光学以及生物医学中有潜在的应用.     

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.     

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...     

纳米光学和生物单分子探测

纳米光学技术展示了纳米级探测本领，同时生物单分子探测所需要分辨尺度也是纳米数量级的，因此在生物单分子探测过程中，纳米光学发挥了巨大的作用．文章介绍了与生物单分子探测技术相关的纳米光学技术，包括量子近场光学探针技术、近场光学成像技术(包括扫描近场光学显微术及全内反射荧光显微术)和激光光钳测控技术及它们在生物单分子探测上的进展，从而在染色、成像、测控三个方面展示了纳米光学技术在生物方面的应用，并对其未来的发展方向进行了展望．     

共振光学的推进

研究人员开发出一种利用光束加速微观粒子运动的方法。美国夏洛特市北卡罗来纳大学的VasilyAstratov及其同事与俄罗斯和英国的研究人员合作从理论和实验角度证明：与略大于或略小于光波长的粒子相比，周长为光波长的整数倍数的球形粒子明显受到了更强的光作用力。在用微米级聚苯乙烯粒子做实验时，     

产生不同类型局域空心光束的可拆式组合轴棱锥

提出一种产生尺寸可调局域空心光束的新型光学元件——可拆式组合轴棱锥,这种新型光学元件是在传统轴棱锥的中部沿其轴线方向贯通开设一圆孔,在圆孔内嵌设一第二轴棱锥组成。通过更换不同底角的第二轴棱锥(或第一轴棱锥),可形成不同尺寸的单个局域空心光束或周期性局域空心光束。从几何光学出发分析了产生局域空心光束的原理,计算了局域空心光束的相关参量。由衍射积分理论分析和模拟了新型光学元件的光强分布特性。几何光学和衍射理论所得分析结果基本吻合。     

可控双空心光束的理论方案及实验研究

提出了一种利用双周期弧向非满额相位调制的方法产生双空心光束的方案. 当准直氦氖激光通过1.5 mm半径透光孔照射到该相位图样时, 在200 mm成像透镜像空间获得长30 mm, 间距57.6μm, 单管束宽度0.11–0.14 mm的双空心光束. 该方案结构简单, 产生的双空心光束具有较好的可控性, 双光管间距由相位调制因子p决定, 能够实现从双空心光束到单空心光束的双向演化. 对所提出的方案进行了实验研究并得到与理论相符的结果. 利用多种组合方式讨论了将该方案拓展到蓝失谐光学囚禁势阱, 可以实现可控的空心双光阱、四光阱与光学晶格等, 有望在冷原子、冷分子囚禁与操控等领域的实验研究中发挥重要作用.     

利用具有轨道角动量的光束实现微粒的旋转

采用扭转柱面镜光学系统将半导体激光抽运固体激光器产生的厄米高斯光束变换成为具有轨道角动量的扭转对称光束.利用该光束具有的轨道角动量特性研制成功了“光学扳手”， 利用“光学扳手”实现了对微米量级微粒的俘获和旋转. 关键词： 轨道角动量 扭转对称光束 光学扳手 光束变换     

集成原子光学及其原子芯片

随着原子激光冷却、囚禁与操控技术以及微米、纳米微电子制作技术的快速发展与不断完善,一个新兴的原子光学分支学科一“集成原子光学及其原子芯片”正在形成。本文重点介绍了集成原子光学及其原子芯片的集成方案、实验结果及其最新进展：包括表面微结构原子光学元器件、微磁结构集成原子光学、微光结构集成原子光学和微磁光结构集成原子光学及其原子芯片的设计方案与微制作技术及其最新实验结果。最后,简单总结了原子芯片的设计原则,讨论了芯片设计与研制中尚待解决的问题,并就集成原子光学的潜在应用及其未来发展作一简单展望。     

用线偏振光产生可调矢量椭圆空心光束

提出了利用π相位板产生矢量空心光束的新方案,两个偏振方向互相垂直的线偏振光波分别通过π相位板调制后进行强度叠加,得到椭圆空心光束,用矩形光阑调节相位板的几何尺寸,可以实时调节椭圆的离心率;调节π相位板的方位,能够实现径向矢量空心光束到角向矢量空心光束的转换。分析、讨论了方案的可行性和在原子光学中的潜在应用,结果表明:本方案在原子光学中有很好的应用前景。     

用弧形波晶片产生矢量光束及其强聚焦的特性研究

提出了产生轴对称矢量光束的新方案, 根据晶体的双折射性质设计波晶片, 形成o光和e光相位板, 能够把线偏振光转换为具有旋转对称性的径向或角向矢量空心光束, 光路简单, 调节方便. 应用Richards-Wolf的经典矢量衍射模型, 分析计算了空心高斯光束照明、高数值孔径透镜聚焦条件下所产生的衍射光波电磁场分布, 结果表明: 用功率为0.5 W的激光照明, 所获得的矢量空心光束具有很高的光强、光强梯度和很强的纵向电磁场分布, 同时还能产生可实时调控的光子角动量分布, 方案在微观粒子的操控方面有很好的应用前景.     

计算机模拟偏振对激光全息的影响

通过计算机对多束激光相干产生的空间干涉光场进行模拟,归纳出光束偏振态改变时,激光相干产生光学晶格效果的变化规律,提供了激光全息技术中激光束偏振态的最佳组合,使激光全息技术制作理想的亚微米单晶结构更方便快捷.还通过实验验证了理论模拟结果,实验结果与计算机模拟结果完全一致 关键词： 激光全息技术 偏振态 光学晶格 光子晶体     

暗中空光束角动量与中性原子的相互作用及其应用

综述了暗中空光束自旋与轨道角动量的一些性质及其与中性原子之间的相互作用,并简单介绍了暗中空光束及其角动量在原子光学和玻色_爱因斯坦凝聚(BEC)以及各种原子光学器件研制方面的应用.     

集成原子光学及其原子芯片

随着原子激光冷却、囚禁与操控技术以及微米、纳米微电子制作技术的快速发展与不断完善,一个新兴的原子光学分支学科—“集成原子光学及其原子芯片”正在形成。本文重点介绍了集成原子光学及其原子芯片的集成方案、实验结果及其最新进展:包括表面微结构原子光学元器件、微磁结构集成原子光学、微光结构集成原子光学和微磁光结构集成原子光学及其原子芯片的设计方案与微制作技术及其最新实验结果。最后,简单总结了原子芯片的设计原则,讨论了芯片设计与研制中尚待解决的问题,并就集成原子光学的潜在应用及其未来发展作一简单展望。     

激光微光束技术在细胞生物学中的应用

 世界上第一台激光器问世后不久,激光技术就在细胞生物学的研究上得到了广泛的应用,并出现了一门新学科--激光细胞生物学．细胞是生物体的形态结构和生命活动的基本单位,要研究生命现象的活动规律就必须研究细胞的内部结构及其功能．但是,细胞本身的体积极小,直径只有几个微米到几十微米,细胞内部的结构则更加精细复杂,所以在揭示生命奥秘的过程中,现代化的研究工具和手段是不可缺少的．激光由于具有强度高、方向性好和单色性好等优点,经过透镜聚焦后可以形成功率密度高而光斑直径仅为微米量级的微光束,利用激光微光束可以对细胞进行俘获、打孔、融合、切断、转移和移植等操作.     

一种新空心光束的理论及实验研究

提出了一种用来描述空心光束的新理论模型——空心高斯光束模型，通过控制光束参数可以方便地调制空心光束黑斑的大小.导出了空心高斯光束经傍轴光学系统的解析传输变换公式.利用导出的公式计算分析了空心高斯光束在自由空间的传输特性.在实验上利用矩阵本征值方法设计了能输出空心高斯光束的光学谐振腔，对实验上得到的空心高斯光束进行了传输特性的研究.结果表明，理论和实验相吻合.该空心高斯光束产生的光势阱为控制冷原子提供了一条新途径. 关键词： 空心高斯光束 光学谐振腔 传输特性