超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中空心光束的形成

空心光束的质量是超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中决定成像质量的一个至关重要的因素. 本文基于菲涅耳衍射理论,分析了螺旋相位片法产生空心光束的物理机理,并且模拟了不同的入射条件对产生的空心光束的影响. 模拟结果表明:波长与相位片中心波长匹配且光强呈圆对称分布的高斯光垂直入射到相位片上,当高斯光束中心与相位片中心完全对准时,可获得较理想的空心光束;入射光光强分布的圆对称性以及入射光中心与相位片中心的对准程度都会影响产生的空心光束的强度分布;同时,高斯光束小角度倾斜入射时,空心光的强度分布仍呈圆对称,却在观察面发生一定的位移;此外,入射光中心波长偏离相位片中心波长不大时,对产生的空心光束的强度分布几乎没有影响. 上述分析结果对用于超衍射相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中理想空心光束的获取具有重要的指导意义. 关键词： 空心光束 超衍射极限 相干反斯托克斯拉曼散射 螺旋相位片     

用傅里叶分析法研究艾里光束远场传播特性

为了从理论上深入分析新型无衍射光束艾里光束在有限能量条件下的远场传播特性,首先,从决定光波在自由空间传播的一维旁轴波动方程入手,采用傅里叶分析法,结合艾里函数的特殊性质,并利用经过指数衰减的有限能量初始条件,完整给出了有限能量条件下用于精确描述一维艾里光束在自由空间传播特性的波动方程解析解.然后,利用所得到解析解分别对一维和二维艾里光束在自由空间的传播特性进行了研究,重点分析了不同参量条件对艾里光束进行无衍射传播和横向自加速的影响.研究表明:当任意横向尺度为100μm,衰减系数为0.03、0.05、0.07、0.1、0.2时,二维艾里光束无衍射传播距离分别为1 014、624、455、338、193mm;当横向尺度保持不变时,衰减系数越小,艾里光束保持无衍射传播的距离越大;当衰减系数保持不变时,横向尺度越小,艾里光束横向自加速越大.所采用的研究方法也可用于研究艾里光束在介质中的传播特性.     

可调谐艾里光束及其传输特性

艾里光束是一种新型无衍射光束,解决了激光在传播过程中的衍射效应。基于艾里变换技术,介绍一种可以通过椭圆平顶高斯光束产生的新型艾里光束,即可调谐艾里光束。通过理论计算,可以看出调节椭圆平顶高斯光束的束宽比可获得单尾艾里光束,同时,可调谐艾里光束的尾长可以通过调节入射椭圆平顶高斯光束的阶数来控制。通过研究,当束宽比p=1时,艾里光束的加速方向沿x轴45方向;p=1/2时,加速方向沿x轴31方向,p=1/3时,加速方向为沿x正方向,可见调节束宽比p的大小可以改变艾里光束的加速方向。     

饱和非线性介质中艾里-高斯光束的传输与交互作用

研究了艾里-高斯光束在饱和非线性介质中的传输与交互作用.结果表明,入射光为单艾里-高斯光束时,在一定功率范围内,调节初始振幅与光场分布,可形成传输方向可控的呼吸孤子.当初始振幅增加时,孤子的呼吸周期先减小后增大.入射光为两艾里-高斯光束时,同相位光束相互吸引,两光束中心位置两侧附近产生呼吸孤子和对称孤子对.反相位光束相互排斥,中心位置两侧仅产生对称的孤子对.光场分布越趋于高斯分布,两艾里-高斯光束相互作用就越强,孤子对的数目越少.     

可调谐广义艾里光束产生及传播特性

为了调控艾里光束的传播,提出一种广义艾里光束.在传统立方相位基础上引入两个可变旋转角因子θ_1和θ_2,形成新改进的可调谐相位,加载该相位的高斯光束经傅里叶变换后可以产生广义艾里光束.基于衍射突变理论,分析讨论了该光束的双曲抛物线传播行为.重点研究了当旋转角θ_1=π/3和θ_2=7π/6时,该光束在传播距离0、3、6、10cm处的无衍射传播特性;以及旋转因子θ_1=3π/2和θ_2=π/4时,该光束在传播距离0、3、6、10cm处的自愈特性.理论研究表明该光束并非傍轴波动方程的特解,但数值模拟及实验证实其在一定程度上拥有无衍射及自愈特性.该光束不仅可沿任意指定的抛物线轨迹传播,同时还具有与传统艾里光束明显不同的空间强度分布,使其在光学操纵与生物医学等方面有潜在的应用.     

对称艾里涡旋光束的传播特性

提出了一种对称艾里涡旋光束.在对称立方相位的基础上引入螺旋相位因子形成新的相位图,加载该相位的高斯光束经傅里叶变换后产生对称艾里涡旋光束.研究表明:对称艾里涡旋光束出现自聚焦现象,且由于轴上涡旋的存在,其中心呈现中空现象,涡旋结构携带的轨道角动量使光束在初始平面处发生旋转,拓扑荷数越大,中空结构越大,旋转角度也越大,而拓扑荷数的正负仅改变光束的旋向.理论分析表明,离轴涡旋在初始平面处,因与光轴中心距离较远,并不会影响对称艾里光束主瓣的能量,即中心并无光强为零区域,但随着传播距离的增加,离轴涡旋逐渐出现在对称艾里光束其中的一个主瓣上.此外,对称艾里光束还可以加载多个离轴涡旋,能同时无损伤地捕获多个微粒.该光束不仅具有自聚焦特性,并且其中心呈中空结构,同时还携带轨道角动量,在光学微操纵与生物医学等方面有潜在应用.     

艾里涡旋光束的多空间维度自由调控

基于多坐标变换技术,依次对一维艾里光束、二维艾里光束以及艾里涡旋光束进行不同坐标系下的变换,实现了艾里光束的两个边瓣方向和嵌入的光学涡旋方向在0到2π范围内的自由调控.分析了边瓣夹角分别为钝角和锐角时的艾里光束以及边瓣垂直时的艾里涡旋光束在传播距离0、2、6、10 cm处的传播动力学特性.理论与实验研究结果表明,通过边...     

一种用于高斯光束整形的衍折射光学元件的研究

由衍射光学元件（ＤＯＥ）和折射透镜组成的衍折射光学元件，用于较大功率密度和光束半径的高斯光束的聚焦。运用ＧＳ算法，用外围的ＤＯＥ产生一个偏移的高斯光束分布，与中心的折射透镜会聚后的高斯光束相干叠加在一个很小的聚焦圆内，在聚焦圆内的光强分布不平整度小于５％。给出了一个圆域基模高斯光束的整形分布，计算误差小于３．５％。     

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.     

一种产生Mathieu光束的光学系统

设计了一种简单而新颖的光学元件。光束经过此元件后,再利用透镜聚焦便可产生无衍射Mathieu光束,且改变衍射元件的参数,Mathieu光束的q值随之改变。利用离散傅里叶方法从理论上导出了该光学系统的Mathieu光束的表达式,采用Matlab模拟了光斑强度。数值模拟和实验结果证实了此元件产生无衍射Mathieu光束的有效性。     

基于光楔阵列产生光学涡旋阵列的研究

在研究光楔衍射法产生单涡旋的基础上,基于长条形光楔阵列,提出了利用光束阵列衍射产生涡旋阵列的方法.该方法要求光束阵列在平行于光楔边缘方向上的光束间距等于光束直径的整数倍.利用超精密机床采用一体化加工法加工了光楔阵列元件,验证了该方法的可行性.利用空间光调制器快速灵活调整光束阵列的优点,搭建了借助空间光调制器加载达曼光栅衍射产生所需光束阵列的实验光学系统.针对光束阵列与光楔阵列的匹配问题,研究了达曼光栅掩模图基本单元对光束阵列的调控,获得了可调结构的光束阵列.实验产生了拓扑荷一致的光学涡旋阵列,与仿真结果相一致,证明所提方法的有效性.     

光学元件失调对光腔衰荡高反射率测量影响的理论分析

在利用光反馈光腔衰荡技术测量大口径光学元件反射率及其均匀性分布时,需要对光学元件进行二维扫描测量,而在扫描过程中光学元件的倾斜失调将对测量结果造成影响.本文根据失调谐振腔光束传输增广矩阵,通过数值运算模拟了在对称共焦腔和一般稳定腔情况下,光反馈衰荡腔结构中由样品倾斜失调引起的输出腔镜上光斑中心位置变化以及对反射率测量的影响.仿真结果表明:对称共焦腔情况下,输出腔镜上奇数次光斑无漂移,偶数次光斑漂移量为固定值|在一般稳定腔情况下,输出腔镜上奇偶数次光斑均往复振荡漂移.分析表明,该系统对样品失调角度的敏感程度与样品在腔内的位置以及腔长有关,通过改变样品在腔内位置,选择适当腔长以及包络拟合法可以减小样品失调对测量结果的影响.     

空间诱导产生艾里-贝塞尔光弹研究

利用波动方程,研究了脉冲贝塞尔光束在自由空间传输时的空间诱导群速度色散(SIGVD)效应. 结果表明,三阶SIGVD能使脉冲贝塞尔光束的时域逐渐演化为艾里分布. 由于艾里-贝塞尔光弹是一种新奇的时、空都不扩展的局域波包, 能在光与物质相互作用的很多应用领域发挥作用.因此,本文提出了 通过色散管理技术补偿二阶SIGVD,利用三阶SIGVD在自由空间产生艾里-贝塞尔光弹的方案. 为分析这种光弹的时空传输特性,数值模拟了它在色散介质中的传输情况. 结果表明,这种光弹能在色散介质中保持空域不衍射、时域不色散的稳定传输.     

一种用于减少相位突变点的衍射光学元件改进设计方法

提出了一种基于数字图像处理技术的用于降低相位突变点的改进型Gerchbery-Saxton(G-S)衍射光学元件设计方法。与普通的G-S衍射光学元件设计算法相比,这种改进型的G-S算法能够使得衍射光学元件的相位分布曲线更加光滑,并且在迭代计算过程中具有更强的收敛能力。利用该种算法获得了由高斯光束变换成空心光束时所需要的衍射光学元件的相位分布,在同样参数条件下,均方根误差为8.31%,优于普通G-S算法的9.46%;并且约有33.2%的像素的相位值得到了改进,从而平滑了衍射光学元件的相位分布曲线,便于实际的微加工。     

光束质量对平顶衍射光学元件输出的影响

衍射光学元件（DOE）对入射光束的波长、束宽、光束质量等参数都有很高的要求,其中光束质量的影响无法直接通过相干光场的衍射积分得出。本文利用高斯谢尔模型（GSM）光束分析了光束质量对平顶衍射光学元件输出的影响。采用对称迭代傅里叶变换算法设计了输出平顶光斑的DOE。用模式分解的方法研究了不同光束质量的光束经该DOE后的输出光斑,发现光束质量因子增加会使输出光斑平顶区尺寸减小,导致DOE失效。从交叉谱密度出发,表明DOE的输出光斑是相干部分和非相干部分的卷积,其中非相干部分是导致输出光斑劣化的原因。给出了平顶衍射光学元件适用的最大M2因子与输入和输出光束尺寸之间的关系。给出了一种GSM光束整形DOE的设计方法,该方法有助于在低光束质量激光器中实现DOE的应用。     

双轴棱锥产生长距离近似无衍射光的新技术

提出了一种利用会聚透镜、轴棱锥等简单光学元件产生长距离近似无衍射光的新技术. 分别利用几何光学和衍射理论分析了该方法产生长距离近似无衍射光束的原理, 通过软件模拟了长距离近似无衍射光束的形成过程,得出了该光束在不同距离处的横向光强分布. 模拟结果显示该光束在较长距离处的横向光强分布满足Bessel分布. 从实验上获得了传播距离长达80 m、中心光斑发散角约为0.12 mrad的近似无衍射光束, 相比于国外学者最近的研究成果(Belyi et al. 2010 Opt. Exp. 18 1966)将传播距离延长了50多米,而光束发散角压缩了22倍.实验中, 对光束沿光轴传播时在不同距离处的光斑进行了拍摄,所得实验结果与理论分析基本符合.     

贝塞尔-高斯涡旋光束相干合成研究

基于相干合成技术,提出了对特定离散空间分布的高斯光束阵列加载离散涡旋相位生成二阶贝塞尔-高斯(Bessel-Gaussian,BG)涡旋光束的方案.利用干涉法、桶中功率和相关系数对合成BG涡旋光束的拓扑荷、光束质量进行了定量评价及参数优化.结果表明:基于相干合成技术能够产生特定的目标BG涡旋光束,阵列子光束紧密排布时合成BG光束的光束质量更高.该方法的提出对于其他涡旋光束的产生或者涡旋光束功率的提高具有一定的参考意义.     

平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统的传输特性

为分析平顶高斯光束通过光学系统传输时圆孔光阑失调和光学元件失调对平顶高斯光束传输特性的影响,利用失调圆孔光阑的近似展开式和适用于失调光学系统的广义衍射公式,得出了平顶高斯光束经含失调圆孔光阑的失调光学系统传输的近似解析式,给出了输出光束场分布与光束参量、光阑孔径尺寸、光阑和光学元件失调量等的定量关系.针对特定光学系统定量分析了各失调量对输出光束场分布的影响,结果表明各元件失调都对输出光束强度分布产生较大影响.但在各失调量较小的情况下,透镜失调对输出光束传输特性的影响比光阑失调对输出光束传输特性的影响更明显.     

频谱非对称包络调制的圆对称艾里光束的传播特性研究

为了增强圆对称艾里光束的自聚焦能力,本文使用了非对称双曲正割函数对光束的频谱进行了包络调制研究,详细探讨了频谱中高、低频分量对自聚焦特性的影响.结果表明单纯增加频谱的高频分量,并不会使自聚焦能力持续增强,低频分量对光束的自聚焦特性同样起着不可或缺的作用.由于非对称包络可以灵活的调节高、低频分量的比重,因此调制效果要优于高通滤波和对称包络调制.当调制参数选取适当时,光束焦点峰值大幅增加,达到了调制前的3.4倍,同时焦斑尺寸减小了23.6%.最后,本文对理论分析结果进行了实验验证,实验结果与理论结果相吻合,证明了频谱的非对称包络调制是一种高效且易于实现的调制方法.     

Airy波包及其自加速效应(续2)

正4艾里光束简单介绍艾里光束,观察艾里光束的加速,并分析自聚焦光束的实验研究.4.1观察艾里光束的加速第一个对艾里光束的观测,最初是由贝里和鲍拉日在1979年预测,这样一个有趣的类波包已在一维和二维结构中实现.实验中,艾里光束表现出在传播中趋于自由加速并保持长距离衍射等特征.1979年贝里和巴拉兹在量子力学的背景下做了一个重要的观测:他们在理论基础上证明了由薛定谔方程描述的自由粒子可以表现出未扩散的艾里