非相干光源产生无衍射光束的研究进展
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束成为近年来的一个热门课题 .
1 产生 B e s s e l光的方式
产生 B 即 被 动 式 和 主 动 式. 被动式主要是指将其他的光束转 e s s e l光的方式可以粗略地分为 两 类 ,
1] 8] 、 、 换为 B 主要是基于单独的光 源 和 可 分 离 的 光 学 元 件 或 系 统 , 如 环 逢 法[ 轴 棱 锥 法[ 计算 e s s e l光束 , 9 - 1 0] 1 1] 、 , 球差透镜 [ 等等 . 其中利用 轴 棱 锥 产 生 B 转换效率高和 机全息图 [ e s s e l光 的 方 法 具 有 结 构 简 单 、 1 2] 光损伤阈值大等优点 [ .
摘要 : 对比透过轴棱锥和环缝装置产生白光无衍 e s s e l光束的方法及研究现状 , 介绍非相干光产生无衍射 B 射光 , 以及 小 尺 寸 全 光 纤 装 置 产 生 白 光 无 衍 射 光 束 的 方 法 . 研究表明: 采用相干光源和非相干光源都可以产 也都具有无衍射和自重建的 特 性 ; 非相干光源产生 B 单个光源 生B e s s e l光束 , e s s e l光 束 具 有 对 光 源 要 求 低 , 可产生多种波长的无衍射光等优点 . 关键词 : B e s s e l光束 非相干光源 ;相干光源 ;白光 ; 中图分类号 : 4 3 5. 1 O 文献标志码 : A
] 2 4 2 5 - 逢铁等 [ 采用轴棱锥法 , 利用激光光源产生
图 3 环缝产生白光无衍射光装置 F i . 3 Wh i t e l i h t n o n - d i f f r a c t i o n b e a m g g e n e r a t e d b t h e r i n s e a m d e v i c e g y g
( ) 1
( [ ] ( ) R( e x i m e x i z -ω t) . 2 α p p m( ρ)= J ρ) φ) β ) 式( 中: 方位角及轴向距离 . 若考虑的问题为 2 J z 分别是柱坐标的径向距离 、 m 为 m 阶贝塞耳方程 ; ρ, φ, ) 解与 φ 无关 , 即 Φ( 则式 ( 中 m 取值为 0, 有 z 轴对称 , = 常数 ; 2 φ)
)三维光强分布 ( )横截面光斑 ( )横截光斑特性分布 a b c ( 图 1 理想零阶 B e s s e l光的三维光强分布及相应光斑图 F i . 1 3 i n t e n s i t d i s t r i b u t i o n o f t h e i d e a l z e r o o r d e r B e s s e l b e a m a n d t h e c o r r e s o n d i n s o t -D g y p g p
近似无衍射光束 , 进一步实现了零阶和高阶无 衍 射 光 通 过 障 碍 物 实 现 自 重 建. L.B a s a n o
1 7] 等[ 用环逢 -透镜法也证实了白光近似无衍射
光束通过障碍物可以实现自重建 . ] 文献 [ 得出 C 1 7 C D 位于障碍物后面 不 同 所拍得 的 横 截 面 光 强 分 布 图 , 如图5 距离 ( d 2) 所示 . 实验中用的是 1 从 0n m 带宽的热光源 . 图 5 可知 : 当距离为 1c 原本应该是有规律 m 时, 分布的同心圆已 经 发 生 严 重 的 错 乱 , 光强也不再 集中在 轴 上 ; 而当距离为1 再次出现了 8c m 时, 自重建过程变得明显 B e s s l e光束截面 光 强 分 布 , 且出现了有规律的同心圆排列 . 3. 3 全光纤装置产生小尺寸的白光无衍射光束 [ 2 6] 设计了一个用全光纤就能产生无 Z h u等 衍射光的装置 , 如图 6 所示 . 单模光纤耦合入多模 光纤的后会 激 发 多 模 L 由于 P0, n 的 产 生 和 传 播, 在光纤中各模的 传 播 是 独 立 的 , 都有各自的传播 常数 , 波长为λ 的 光 场 在 多 模 光 纤 的 出 射 面 形 成 即 叠加的近似无衍射光场 ,
2 2 J x)→ J x)= J k . -β α m( 槡 0( 0( 0( ρ)= J ρ)
( ) 3 ( ) 4
因此 , 最后符合波动方程的解为 )= e [ ] E( z, t x i z -ω t) J . α p 0( ρ, φ, β ρ)
ω 2 , 为波数 , 为光速 , 2 2 2 ) 式( 中: 4 k k = k =( ) k c α= α 和β 分别为径向和横向的波矢分量 ; α z, r, β= β+ c 可以看出传播距离 z 只出现在相位部分 , 而光场的横向分布与 z 无关 . 如果α=0, 它可 ω 为光波的频率 ,
3卷 第2期 第3 0 1 2年3月 2
华 侨 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) ) J o u r n a l o f H u a i a o U n i v e r s i t N a t u r a l S c i e n c e q y(
V o l . 3 3 N o . 2 M a r . 2 0 1 2
1 4 0
华 侨 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版) 2 0 1 2年
通过小孔可 近 似 看 成 一 个 点 光 源 , 具有较好的相干 性, 然后经过 环 缝 和 透 镜 的 聚 焦 后 打 在 电 荷 耦 合 元 上. 件( C C D) 在与 L 处的 C 2 透镜不同距离 ( d C D 所拍得的 1) 如图 4 所示 . 虽然所得结果并不太理想, 实验光斑 , 1 7] , 但从中可以看 出 它 具 有 无 衍 射 光 的 特 性 [ 说明用 环缝是可以产生白光无衍射光 . 3. 2 白光产生重建无衍射光 由于无衍射 B e s s e l光 束 拥 有 高 斯 光 束 等 — — 重建特 性 , 在 普通光束不曾有的重要特性 — 生物工程和医学领域有着广泛的应用前景 . 吴
[ 1 7] 1 8] 、 在现有的研究中 , 主要是报 道 以 卤 灯 [ 宽频带( 等非相干光源来产生 B 5 0 0~1 1 0 0n m) e s s e l [ ,7, 1 9] , 光束 . 然而 , 以非相干光源 ( 卤灯 ) 得到的 B 可以应用在 e s s e l光束也具有无衍射和自重建的特性 4 1 [ [ 6] 6] 是B 细胞标记 、 X 成像和粒子囚禁 上 , e s s e l光束应用的一个新领域 .
图 2 理想零阶 B e s s e l光的 纵向光强传播分布图 F i . 2 L o n i t u d i n a l o t i c a l i n t e n s i t g g p y d i s t r i b u t i o n o f t h e i d e a l z e r o B e s s e l b e a m
[7] 1] 可用来产生 白 光 无 衍 射 光 [ 采用图3 . L. B a s a n o等 1
的装置得到了白光无 衍 射 光 , 也证实了这一结果 . 图3 ; 中: 为 的 卤 素 灯 是 直 径 为 的 L 1 5 0W P H 0. 1 mm 针 孔; L 1为显微镜物 镜; L 2是焦距为2 5 0 mm 的 凸 透 镜 ; 环缝的直径和宽度 分 别 为 4 和 0. 环缝距小孔 0 1 6 mm, 卤素灯 L 发 出 的 光 经 L 其光束 为1 3 2 0mm. 1 聚 焦 后,
主动式主要指通过特定结构的腔由激光器直接产生 B 如用透镜轴棱锥产生纳秒的近似无 e s s e l光 ,
[3] 1 4] 1 5] , , 衍射 B 用稳腔 [ 和非稳腔 [ 主动式直接获取纳秒无衍射 B 并在非稳 B e s s e l光脉冲 1 e s s e l -G a u s s e s - [6] , 获得纳秒近似无衍射 B 相 对 于 被 动 式, 主 s e l -G a u s s谐振腔中实现腔内倍频 1 e s s e l -G a u s s绿 光 输 出 . , 动式中谐振腔无须通过变换高斯光便可产生高质量的 B 光束 并且能在腔内实现对 光的频 e s s e l B e s s e l
第 2 期 范丹丹 ,等 :非相干光源产生无衍射光束的研究进展
1 3 9
2 单色光的无衍射特性
[ ,0 - 2 1] 提出了无衍射 B 光波在无源的 J . D u r n i n等 12 e s s e l光是自由空间标量波动方程的一组特殊解 . 其电场满足波动方程 自由空间传播时 , 2 1 ( )= 0 ·E( r, t . 2 - 2 · 2 ) c t 2 2 - 2 3] ) 由标量亥姆霍兹 ( 波动方程出发求解这组特殊解 . 利用分离变量法 [ 可得 H e l m h o l t z
-1 简化成一平面波 ; 而当 0< 则是基模 B 其横向强度以 ( 由式 ( 决定 k, e s s e l光束 , 4) α≤ α ρ) 的速度衰减 . 即 的横平面上的光强 , 2 ( ) I( z)=| J . 5 | α 0( ρ, φ, ρ) -1 , ) 即 0. 根据式 ( 可以模拟理想零阶 B 0 mm ( 5 °轴棱锥产生的 B e s s e l 光束 ) 5 e s s e l光的三维 令α=4 分布及相应光斑图 , 如图 1 所示 . 图1中: I 为归一化光强 ; ρ 为径向距离 .
( ) 0 0 0 5 0 1 3 2 0 1 2 0 2 0 1 3 8 0 5 文章编号 : 1 - - -
非相干光源产生无衍射光束的研究进展
范丹丹1,刘岚2,程治明1,吴逢铁1
( 1.华侨大学 信息科学与工程学院 ,福建 厦门 3 6 1 0 2 1; ) 2.漯河医学高等专科学校 ,河南 漯河 4 6 2 0 0 2
相应的零阶 B 如图 2 所示 . 从图 2 可知 : 光强主要集中在中 e s s e l光束的纵向截面传输光强分布图 , , 心位置 , 并且随着光束的传输距离 ( 光斑不会发生 衍 z) 射, 故称作零阶无衍射光束 .
3 非相干光无衍射光
3. 1 环缝装置产生白光无衍射光 J . D u r n i n 提出产生单色无衍 射 光 的 双 缝 装 置 同 样
0 1 1 1 1 1 8 收稿日期 : 2 - - , : 男, 教 授, 主 要 从 事 光 束 传 输 与 变 换, 短 脉 冲 技 术 及 非 线 性 光 学 的 研 究. 1 9 5 8 E-m a i l f t w u@ 通信作者 : 吴逢铁 ( -) u b l i c . z . f . c n . p q j ;国 家 高 功 率 激 光 物 理 重 点 实 验 室 开 放 基 金 资 助 项 6 0 9 7 7 0 6 8, 6 1 1 7 8 0 1 5) 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ) ;福建省泉州市科技计划重点项目 ( ) 目( S G 0 0 1 1 0 2 2 0 1 1 G 9
率转换 .
1 7] 目前 , 几乎所有对无 衍 射 光 的 研 究 均 是 采 用 相 干 光 源 ( 激 光 光 源) 的, 而 采 用 非 相 干 光 源[ 产生
相对于相干光源 , 非相干光源产生 B 对光源的要 B e s s e l光束的研究甚少 . e s s e l光束具有获取较为容易 , 求较低 , 尤其是单个光源可产生多种波长的无衍射光等优点 , 而且 , 非相 干 光 无 衍 射 光 在 光 学 相 干 断 层 扫描上还具有自愈能力 , 比相干光更有优势 . 因此 , 非相干光源产生无衍射光的研究具有较高的学术意 义和广阔的应用前景 .
1 - 3] ) 自1 光束 [ 以来 , 因其在传输中保持光强分布不变 , 具有高度的局域 9 8 7 年提出了无衍射 ( B e s s e l 4 - 5] 化强度分布和自重建 [ 等独特的性质而备受关注 . 介于该独特的传播性质 B e s s e l光束在 光 ຫໍສະໝຸດ Baidu 微 操 作 、 6] 7] 、 光学囚禁 [ 纳米科技及生命科学 [ 等方 面 起 着 非 常 重 要 的 作 用 , 因此如何产生满足要求的 B e s s e l光