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。     

中性原子的激光导引及其应用

文章综述了采用中空光纤中红失谐高斯模式,红失谐高斯激光束,中空光纤中蓝失谐消逝波和蓝失谐暗中空光束实现中性原子激光导引的原理,方法和实验及其最新进展,并简单介绍了激光导引原子技术在原子光学领域中的应用。     

基于扭曲向列液晶空间光调制器的矢量光生成

基于扭曲向列型液晶空间光调制器的旋光特性, 根据空间光调制器所加电压和加载相位与旋光角度的对应关系, 设计了可以生成多种涡旋矢量光的通用光路. 利用该原理和光路系统, 在实验上生成了多种携带轴对称相位的矢量光以及图案般复杂的矢量光, 观察和检测了它们的偏振特性, 获得了较好的实验结果. 并且模拟了具有涡旋相位的矢量光的紧聚焦场, 分析了它们的紧聚焦特性. 由于这种生成矢量光的方法光路装置简单、操作容易, 产生矢量光的过程中几乎不损失能量, 并且不存在聚焦过程, 因此在如强激光矢量光束与物质相互作用、激光加速等方面具有重要的应用潜力.     

Generations of dark hollow beams and their applications in laser cooling of atoms and all optical-type Bose－Einstein condensation

We report on a new experimental result to generate dark hollow beams by using a geometric optical method. We propose two new methods to produce focused and localized hollow laser beams by using π-phase plates. Using Monte-Carlo simulations, we have studied the Sisyphus cooling of alkali atoms in pyramidal hollow beam gravito-optical traps. We discuss some potential applications of the dark hollow beams in atom optics and the preparation of an all optically-cooled and optically-trapped atomic Bose－Einstein condensation (BEC). Our research shows that an ultracold atomic sample with a temperature of ～ 2μK can be obtained in the pyramidal hollow beam dipole trap and an all optical-type BEC may be realized in a far blue-detuned, hollow beam trap.     

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     

Systematical study of the trapping forces of optical tweezers formed by different types of optical ring beams

The technique of optical tweezers has been improved a lot since its invention, which extends the application fields of optical tweezers. Besides the conventionally used Gaussian beams, different types of ring beams have also been used to form optical tweezers for different purposes. The two typical kinds of ring beams used in optical tweezers are the hollow Gaussian beam and Laguerre--Gaussian (LG) beam. Both theoretical computation and experiments have shown that the axial trapping force is improved for the ring beams compared with the Gaussian beam, and hence the trapping stability is improved, although the transverse trapping forces of ring beams are smaller than that of Gaussian beam. However, no systematic study on the trapping forces of ring beam has ever been discussed. In this article, we will investigate the axial and transverse trapping forces of different types of ring beams with different parameters systematically, by numerical computation in which the ray optics model is adopted. The spherical aberration caused by the refractive index mismatch between oil and water is also considered in the article. The trapping forces for different objectives that obey the sine condition and tangent condition are also compared with each other. The result of systematical calculation will be useful for the applications of optical tweezers formed by different types of ring beams.     

倾斜离轴高斯-谢尔模型光束在大气湍流中通过猫眼光学镜头反射光的光强特性

本文研究了大气湍流和探测光空间相干性对倾斜离轴激光束通过猫眼光学 镜头反射光光强特性的影响. 研究表明: 由于光阑效应以及光束倾斜或离轴, 反射光光强出现振荡和非对称分布现象. 大气湍流不会改变其非对称性, 但湍流中其光强不再振荡. 当猫眼光学镜头存在微弱正离焦δ_max情况下, 轴上光强可达到最大值. 猫眼光学镜头焦距越大, 所需δ_max越大. 但是, 大气湍流和探测光相干性好坏都不会改变所需δ_max值. 在大气湍流中传输距离足够远时, 反射光强会成为离轴类高斯分布. 随着传输距离的增大, 相干性越差的探测光的反射光束扩展可以更小, 这与部分相干光自由空间传输规律完全不同. 探测光相干性越好, 其反射光强受湍流的影响越大, 但差异不大. 本文所得结果对激光主动探测的应用具有意义. 关键词： 猫眼光学镜头 大气湍流 部分相干光 光强     

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.     

激光陀螺光电探测器光窗的设计

用平面波计算拍频条纹间距时,因激光器中存在衍射效应,且实际光强分布为高斯型,故给光电探测器光窗尺寸计算带来很大误差(40%),导致系统不能正常工作。为此,以高斯光束为基础,利用光电探测器测得2路信号的相位差,通过数值计算得到2束光拍频条纹间距,由此计算得到理想相位差光电探测器的尺寸。最后,用实验验证了该设计方法的可行性,为RLG光电探测器光窗尺寸的设计提供了一种简单准确的方法。     

无衍射光束的产生及其应用

近年来,随着激光技术的快速发展,相继产生了多种在远距离传输后中心光斑保持不变的无衍射光束,包括贝塞尔光束、高阶贝塞尔光束、马丢光束、高阶马丢光束、余弦光束、抛物线光束以及艾里光束.无衍射光束在激光打孔、激光精密准直、光学精密控制、光学微操控、光通信、等离子体导向、光子弹产生、光通信、自聚焦光束的合成以及非线性光学等领域中有着广泛的应用.本文介绍了各类无衍射光束的数学表达式、产生方法及对应的实验结果;就无衍射光束的特性和应用进行了归纳和讨论;并对其在未来的研究与应用前景中发挥的重要作用进行了简要总结与展望.