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。     

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.     

环形障碍物-轴棱锥产生局域空心光束

提出一种产生局域空心光束(bottle beam)的新方法,它是在传统的轴棱锥底面上放置一个环形障碍物.平面波入射到带有环形障碍物的轴棱锥底面时,将在轴棱锥产生的最大无衍射距离内形成bottle beam,而在bottle beam的前后仍然保持无衍射贝塞尔光.通过变化障碍物大小及轴棱锥底角实现bottle beam尺寸的控制.利用衍射理论描述了平面波经带有环形障碍物的轴棱锥产生bottle beam的原理,分析和模拟了传输过程中不同位置的截面光强分布及整个过程的三维光强分布,并给出相关的实验结果.研究结果对bottlebeam的实际应用具有积极的意义.     

无衍射贝塞尔光束相干的理论与实验

分别使用两种不同底角的轴棱锥产生无衍射贝塞尔光束。理论分析了单束贝塞尔光及两束贝塞尔光相干叠加后光场的光强分布,分析了产生的局域空心光束在一个完整周期内的特性。数值模拟了光沿纵向传播时光场的横向光强分布,并给出了相关的实验。对单束贝塞尔光及两束贝塞尔光干涉后的中心光斑的大小进行了测量,测量结果与理论计算结果吻合。     

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...     

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。     

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。     

轴棱锥-透镜系统产生局域空心光束中心亮斑的消除

本文提出利用相位调制的新方法, 在光路中插入螺旋相位板, 使句域空心光束(Bottle beam)中心变为相位奇点, 在使用轴棱锥-透镜系统产生局域空心光束(Bottle beam)时, 消除了衍射等因素导致Bottle beam内部的轴上光强, 这利于用Bottle beam构建空心光镊系统. 理论分析及数值模拟与实验结果很好地吻合.     

基于圆锥透镜生成双级无衍射光束的理论分析

为进一步完善多级无衍射光束的传输与转换理论,基于轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析,采用数值模拟软件对双级无衍射光束的空间光强分布与轴上光强分布进行仿真;基于锥镜加工工艺对锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布进行研究,分析了双级无衍射光场的场强大小和影响光场振荡周期的因素。结果表明:理想双级轴棱锥透镜生成的无衍射光场由4个区域组成,在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥衍射场的耦合叠加,其余区域仍保持单级无衍射光场分布特性;锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布受双曲线特征参数影响较大。其特殊的光场分布为多级无衍射光束拓展至大尺寸空间测量以及粒子微操作等提供了新的可能。     

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.     

空心锥状双高斯光束传输特性研究

建立了空心锥状双高斯光束的模型.在空心高斯光束模型的基础上,由初始光场的光强分布,利用柱坐标下的柯林斯公式,导出了空心锥状双高斯光束经过傍轴光学系统的解析传输变换式由传输变换式计算分析了空心锥状双高斯光束在自由空问的可控传输特性,及在1,10和60 m的截面光环的光强分布.用KNbO3双轴晶体进行实验,获得了空心锥状双高斯光束,外锥折射的锥角等于入射光会聚角.实验表明,当空心光束处于锥状发射状态时,空心光束的光环内黑斑面积随传输距离的增加而增加,实验结果与模型吻合较好.该研究为进一步设计制备基于空心锥状舣高斯光束的新型激光元件提供了理论依据和设计参量.     

Numerical simulation of Bessel beams by FDTD employing the superposition principle

Finite difference time domain (FDTD) method is adopted to build a Bessel beams simulation model according to homogeneousness and linearity of the Maxwell equations in source-free region. Validation for this model is confirmed by comparing the simulation results with the theoretical results solved with a vector Helmholtz equation in free space and good agreement with maximum error 2% has been demonstrated. It is indicated that FDTD could be an effective approach to analyze other complicated models of Bessel beams in source-free region by means of superposition principle.     

带宽对脉冲贝塞尔光束传输的影响

从惠更斯-菲涅耳衍射积分公式出发得到具有高斯型频谱分布的脉冲贝塞尔光束频率域的传输表示式,并使用傅里叶变换最后推导了脉冲贝塞尔光束时间域的传输公式。根据得到的公式通过具体数值计算对脉冲贝塞尔光束在自由空间中的传输进行了研究。计算结果表明脉冲光束的带宽对脉冲贝塞尔光束传输中的脉冲时间延迟和脉冲宽度产生影响。具体表现为脉冲光束带宽的增宽使脉冲时间延迟增大,并使脉冲时间波形的后沿拖长,从而导致脉冲宽度增宽。脉冲时间延迟和脉冲宽度还随传输距离发生变化。脉冲光束传输距离越大,脉冲时间延迟越大,脉冲宽度变得越宽。     

Reflection and Absorption of Conical and Bessel Light Beams by Cylindrical Objects

The problem of reflection and refraction of a conical beam at the boundary of an object of cylindrical shape is solved analytically. The amplitude and energy coefficients of reflection for a field of variable polarization are calculated. The light energy absorption in a cylindrical object and its distribution over the cross section are investigated. The advantage of using conical beams of light for probing cylindrically shaped objects, including biological ones, is shown. Presented at the 5th International Scientific-Technical Conference “Quantum Electronics,” November 22–25, 2004, Minsk, Belarus. __________ Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 72, No. 5, pp. 664–669, September–October, 2005.     

Review of non-diffracting Bessel beam experiments

The theory of non-diffracting Bessel beam propagation and experimental evidence for nearly-non-diffracting Bessel beam propagation are reviewed. The experimental results are analysed to show that the observed propagation distances are characteristic of the optical systems used to transport the beams, and are not unique to the Bessel beam intensity profiles. The results indicate that, despite the innovative techniques employed to generate finite radius Bessel beam distributions, nearly-non-diffracting Bessel beam propagation has not yet been conclusively demonstrated.     

无衍射光的干涉实验与理论分析

分析了两束无衍射光的干涉场分布形式和干涉条纹轨迹。将一束单色光入射两小孔产生的两束相干光照射轴锥镜,在轴锥镜后将产生两束无衍射光。根据单束倾斜光入射轴锥镜的无衍射理论,分析出这两束无衍射光产生的干涉场为每束无衍射光的无衍射场的线性叠加。利用零阶贝塞尔函数的零点公式,推导出两束无衍射光的干涉条纹的轨迹为双曲线。计算结果表明,干涉场中两中心的间距与两孔实际的间距和干涉场距轴锥镜的距离成正比。实验结果与理论仿真相一致。     

Bessel beams: Effects of polarization

An approximation to a Bessel beam produced by tightly focusing linearly polarized light is known to produce a smaller central lobe than focusing plane polarized light. This is because the plane polarized wave gives a broad central lobe caused mainly by a parasitic longitudinal field component. It is known that this problem can be overcome by focusing radially polarized light. Here we demonstrate that other polarization distributions based on a linear combination of transverse electric (TE1) and transverse magnetic (TM1) fields can give a beam even narrower than for the radially polarized case. Special cases of this combination are identified, corresponding to the smallest width (TE1), and the maximum peak intensity compared with the side lobes (electric dipole polarization). Axially-symmetric forms can be generated by illumination with elliptically polarized light. A particular case is azimuthal polarization with a phase singularity, which is equivalent to TE1. For a semi-angular aperture of 60°, the TE1 case gives a central lobe width 9% narrower than for radially polarized illumination, while for plane polarized illumination it is 12% wider than the radially polarized case.     

柱透镜聚焦高阶Bessel光束产生焦散光束

研究了高阶Bessel光束经过柱透镜后的光场分布特性.在广义惠更斯-菲涅尔衍射积分理论基础上,推导出高阶Bessel光束透过柱透镜后的衍射光场分布表达式;并利用MATLAB和MATHCAD模拟了不同传播距离处的光强分布.实验上,利用轴棱锥和螺旋相位板产生不同阶数的高阶Bessel光束,并使产生的高阶Bessel光束经过柱透镜,最后用CCD记录下不同距离处的衍射光场.研究结果表明,高阶Bessel光束经过柱透镜形成唇状的焦散光束.     

Propagation and transformation of Bessel beam through the fractional Fourier transform system with two hard-edged apertures

The propagation properties of Bessel beam is a meaningful research. In this paper, based on the expanding the hard-edged circular aperture as a finite sum of complex Gaussian functions and the scalar diffraction theory, an approximate analytical solution for Bessel beam propagating through a fractional Fourier transform system is derived in the cylindrical coordinates. Then, the detailed numerical calculation for Bessel beam is presented. The simulation also shows that the beam parameter and the order of fractional Fourier transform result in the change of field distribution, including location, intensity and width.