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。     

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。     

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.     

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...     

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。     

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。     

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.     

新型锥透镜产生局域空心光束

首次提出产生局域空心光束(Bottle beam)的另一类新型锥透镜模型.讨论了凹凸两种模型,分别是在传统轴棱锥的底部磨削和胶合圆台结构形成.研究结果表明平面波正入射新型凹锥透镜可产生单个Bottle beam,正入射新型凸锥透镜可形成具有周期性的Bottle beam.通过几何光学分析了产生Bottle beam的原理,计算了Bottle beam的相关参数.由衍射积分理论分析和模拟了新型锥透镜后的光强分布特性,所得分析结果与几何光学分析基本符合. 关键词： 新型锥透镜 Bottle beam 轴棱锥 Bessel光     

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.     

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。     

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.     

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。     

双环径向偏振涡旋光束经介质界面的深聚焦

基于矢量德拜理论,研究了双环径向偏振涡旋光束经介质分界面的深聚焦特性。当选取适当的入射光束拦截比时(即透镜孔径半径与入射光束的束腰半径的比),在聚焦场中可以得到一个极小的局域空心光束。局域空心光束的大小不仅与透镜的数值孔径有关,还与聚焦场介质的折射率有关。另外,还研究了透镜的数值孔径、入射光束的拦截比以及探测深度对聚焦光束实际焦点位置的影响。通过对聚焦光束的实际焦点位置的计算发现:当选取一定的光束拦截比时,聚焦光束存在一个焦点开关。     

π相位板产生矢量光束的高数值孔径聚焦特性研究

借助马赫曾德尔干涉仪光路,用简单的π相位板把线偏振光转换为径向和角向矢量空心光束,应用RichardsWolf经典矢量衍射模型,计算了高数值孔径透镜聚焦条件下光波电磁场的分布,结果表明:用10-3 W量级的激光功率照明,产生轴对称矢量空心光束的最大光强达到1011 W·m-2量级,最大光强梯度达到1017 W·m-3量级,暗斑半径仅有0.24λ,同时出现了很强的纵向电场和磁场分布;调节干涉仪光路的光程差可调节局域光子轨道角动量密度的分布,这种光束在原子光学中有很好的应用前景。     

产生多个高光强梯度局域空心光束的理论与实验

在实验中用贝塞尔光束与球面波叠加得到多个具有高强度梯度的局域空心光束(BB)。用衍射理论分析了贝塞尔光束与球面波叠加的光场,借助软件对两光场相干叠加的光强分布进行了模拟,结果表明在球面波的焦点附近能够形成多个高强度梯度的BB。实验中贝塞尔光束和球面波分别用轴棱锥和透镜对平行光聚焦获得,使两光场在同一传播轴上相干叠加,在球面波焦点附近观察到多个BB。通过对比可知,贝塞尔光束与球面波叠加所得BB比用两束贝塞尔光束干涉产生的BB在暗域处具有更大的光强梯度,更有利于稳定的粒子囚禁。     

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。     

轴棱锥对无衍射光束的线聚焦特性

基于汉克尔波理论和衍射积分理论详细分析了轴棱锥对无衍射光束的线聚焦特性, 提出了一种产生周期性局域空心光束的新方法, 即无衍射贝塞尔光束经过轴棱锥聚焦后产生具有塔尔博特效应的局域空心光束. 数值模拟了无衍射贝塞尔光束照射轴棱锥后, 沿传输距离变化的光强分布及一个周期内光强的演变和局域空心光束的形成过程. 设计实验系统, 由He-Ne激光经过一套光学系统后透过轴棱锥, 产生近似无衍射贝塞尔光束, 再由第二个轴棱锥对产生的无衍射贝塞尔光束进行线聚焦, 在第二个轴棱锥后面由显微镜观测到周期性局域空心光束, 并用CCD照相机拍摄了两个周期内的光斑图, 实验结果和理论分析相符合. 研究结果可用于多层面微粒的操控, 对周期性局域空心光束在光学微操控领域的应用具有重要的指导意义. 关键词： 贝塞尔光束 轴棱锥 线聚焦 局域空心光束     

透镜导管耦合系统中光线三维追迹模拟分析

半导体激光器抽运耦合系统是固体激光器的重要组成部分.非成像系统空心透镜导管构成的耦合系统非常适用于大功率的半导体抽运阵列.为了给出透镜导管耦合系统的最佳结构,需要研究抽运光束在耦合系统内及输出面的分布.利用几何光学理论,在三维空间内,建立了空心透镜导管中抽运光束传播的数学模型,推导了光束传播的三维轨迹方程;在全三维光线追迹的理论分析基础上,开发了模拟透镜导管耦合系统传输光线的3D计算机仿真软件;通过该软件可以自动获得全部抽运光线在透镜导管耦合系统中的真实传输路径及在耦合系统输出端面的分布.最后探讨了抽运光束通过空心透镜导管耦合系统后的能蕈转换效率.计算结果表明,空心透镜导管的能量转换效率可以达到96.08%以上.     

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。