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...     

阶变折射率轴棱锥产生局域空心光束

提出利用折射率成阶跃性变化的轴棱锥产生局域空心光束(bottlebeam).讨论了折射率沿径向成阶跃式减小或增加两种模型,从几何光学角度分析了它们产生bottle beam的原理,利用衍射积分理论数值模拟两种轴棱锥光传输的光场分布和不同距离处的二维光斑图,研究结果表明折射率沿径向阶跃减小的轴棱锥产生单个bottle beam,而折射率沿径向阶跃增加的轴棱锥产生具有周期再现的bottle beams.bottle beam在原子引导和囚禁、光学俘获及光镊等方面有广泛的应用,因此本文的研究对bottlebeam的产生和实际应用具有指导意义.     

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     

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。     

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。     

周期局域空心光束自重建的理论模拟与实验

利用衍射积分理论和干涉理论分析了轴棱锥对无衍射贝塞尔(Bessel)光束进行线聚焦产生局域空心光束遇障碍发生自重建的全过程。数值模拟了周期局域空心光束的传输情况及轴上放入圆形障碍物后不同位置的截面光强分布图,并计算了障碍物后最小自重建距离。研究结果表明周期局域空心光束遇到障碍物后,会绕过障碍物继续向前传输,并且传输一段距离后恢复原来的周期局域空心光束的特性。设计实验光路图对理论模拟进行了验证,通过显微镜和照相机系统拍摄得到轴上圆形障碍物和方形障碍物前后光束的截面光强分布图,实验与理论模拟相吻合。研究结果使得周期局域空心光束的应用得到了扩展。     

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。     

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.     

轴棱锥产生无衍射光束自再现特性的几何光学分析

由几何光学方法分析轴棱锥产生无衍射光束自再现特性,很好地解释了无衍射光束自再现的形成原理.在菲涅耳近似条件下,利用菲涅耳衍射理论可以对光传输进行很好地描述;而光束经过障碍物后的很小距离内,菲涅耳衍射近似条件已不满足,衍射理论不再适合描述光束的传输特性,这时可以利用几何光学分析光束传输特性.首先从几何光学角度对轴棱锥产生无衍射光束的自再现特性进行了详细的描述,并对光束传输进行仿真,最后通过实验验证轴棱锥产生无衍射光束的自再现特性,实验结果与理论分析相符合. 关键词： 无衍射光束 几何光学 轴棱锥 自再现     

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.     

Design and fabrication of a double-axicon for generation of tailorable self-imaged three-dimensional intensity voids

We propose a new design for fabrication of a highly power-efficient double axicon to generate self-imaged three-dimensional intensity voids along the propagation of a beam. The conventional conical structure of an axicon is modified and shaped like an axiconlike structure with a double-gradient surface profile. The gradient conical surfaces generate Bessel beams with varying radial wave vectors that are superimposed and interfere to generate a sequence of three-dimensional intensity voids. The proposed element was fabricated using electron-beam lithography, and experimental verification of the design is reported.     

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.     

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     

Phase-shifted Fresnel axicon

We propose an optical element: a phase-shifted Fresnel axicon for generation of multiple Bessel beams. By giving a binary phase modulation to the standard Fresnel axicon, the proposed element is generated. The phase profile of the binary phase modulation is engineered to generate two and three Bessel beams of equal intensities. This composite optical element is fabricated using electron beam direct writing. The performance of the fabricated device is evaluated using a semiconductor laser, and the generation of two and three Bessel beams is successfully demonstrated.     

部分相干光对周期性局域空心光束的影响

用旋转毛玻璃和光阑把激光变成部分相干光, 再经过双轴棱锥系统把一束平行光变成两束同频率但不同径向波矢分量的无衍射贝塞尔光, 相干叠加产生了部分相干的周期性局域空心光束. 通过干涉理论与实验结果相互佐证, 得出局域空心光束的周期为2.5 mm. 进一步探究入射光场相干度对产生局域空心光束的影响, 发现随着相干度的降低局域空心光束中心暗斑与周围光强的衬比度会降低, 但不影响局域空心光束的周期以及中心暗斑尺寸.     

Multiple bottle beams based on metasurface optical field modulation and their capture of multiple atoms

Compared to conventional devices, metasurfaces offer the advantages of being lightweight, with planarization and tuning flexibility. This provides a new way to integrate and miniaturize optical systems. In this paper, a metasurface capable of generating multiple bottle beams was designed. Based on the Pancharatnam-Berry (P-B) phase principle, the metasurface lens can accurately control the wavefront by adjusting the aspect ratio of the titanium dioxide nanopillars and the rotation angle. When irradiated by left-handed circularly polarized light with a wavelength of 632.8 nm, the optical system can produce multiple micron bottle beams. Taking two bottle beams as examples, the longitudinal full widths at half-maximum of the optical tweezers can reach 0.85 μ and 1.12 μ, respectively, and the transverse full widths at half-maximum can reach 0.46 μ and 0.6 μ. Also, the number of generated bottle beams can be varied by controlling the size of the annular obstacle. By changing the x-component of the unit rotation angle, the metasurface can also change the shape of the bottle beam — the beam cross-section can be changed from circular to elliptical. This paper also analyzes the trapping of ytterbium atoms by the multi bottle beam acting as optical tweezers. It is found that the multi bottle beam can cool and trap multiple ytterbium atoms.