空心光束的产生及其在现代光学中的应用空心束

发布者:admin 发布时间:2019-10-24 04:07 浏览次数:

通过将激光调谐至较短波长, 人们可以扫描 m0阶圆环到一个更大的角度。当激光被调谐至 波长 m0K0 m0也为一整数。在实验中, 他们还使用了一个长为 cm,槽密度为l800 line/ mm 的全息光栅。这一几何光学方法的原理较为简单: 当一高斯光束通过棱镜的第 一个顶点折射后, 被分束为一发散的空心光束;例如, Grimm 等人 采用单个圆锥棱镜和一球面透镜产生了光束直径为2r 800Lm, 圆环宽度为 wr 35Lm, 宽度半径比约为1/ 11 的环状空心光束。在第四节中将简单介绍空心光束的分类及其应用场合;在第三节中将详细介绍各种空心光束产生的基本原理、实验方 案及其实验结果;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。因此,采用弧向指标为 的拉盖尔O高斯光束照射圆锥棱镜即可产生高阶贝塞尔光束。在最后一节中, 我们将简单总结一下本文的主要 结论, 并就空心光束的进一步研究及其应用前景进行简短展望。这些光束参数可分别定义如下: 空心光束的横截面及其径向强度分布 暗斑尺寸(DSS) 所示,DSS 被定义为空 心光束凹口内侧径向强度分布的半高宽度( 光束宽度(WDHB) WDHB被定义为空心光束凹口外侧径向强度分布的最大值的1/ 所示,被定义为最大径向强 度位置和光束中心之间的距离;又如 Tamm 等人 采用横模选择方法在单纵模HeONe激光腔中产生了一束TEM01 面包圈空心光束, 并利用该光束实验研究了激光空间模式花样的双稳和光学开关效应。负透镜用 来发散腔内的光束。激光振荡由FOP标准具( 法O帕干涉仪) 射面和频率选择器形成,而频率选择器由一个衍射光栅和可调谐反射镜组成。由图6可以看出, 贝塞尔光束强度 的平均径向分布与理论计算值吻合得很好。当这一圆锥形光束经过焦距为 100mrad, 10cm, 14cm 93cm 他们得到了一个内径为50Lm、轴向长度为 mm的三维封闭的局域空心光束,相应的纵横比为24。   本节将就各种空心光束产生的基本原理、方法及其实验结果作一详细的介绍与综述。如Kulin 等人 17]采用一个透镜) 圆锥棱镜系统产生了一内径和轴向长度 分别为1. mm和15 cm 的具有拉长菱形暗中空区域的局域空心光束, 相应的暗中空区 域体积为80 mm 个冷原子。环形空心光束的相对强度对布 2P0Pw 11)这里 是垂直于z轴的径向位 置。综述;在图2 氮分子激光被10cm焦距的柱面透镜聚焦后用于泵浦染料池中浓度 甲醇溶液)。当激光功率为P 束腰为2w0 25,2H= 90b) 实现高斯光 束到环形空心光束的转换 方案;众所周知, 大部分矩形对称的激光腔所产生的激光横模场都可以用一个完备基系的 厄密O高斯模式的叠加来表示, 即任意场分布都可以用一个指标 的厄密O高斯模式的叠加来表示: HGnm( HGnm Hn2x Hm2y 23)且Hn( HGnm是归一化常数, 是波数,zR 是Gouy相位, 是束腰,也即在传播距离 处从轴上强度下降到1/ 处的高斯光束半径。HeONe高斯激光束 mm)的相对强 度分布;于是下一个最大透射率出现的角度为: H0 arccos(m0 10)类似地, 也可以得到相应于阶数 的其它最大透射率出现的角度。Vol.24, PHYSICSSept 2004文章编号: 1000O0542( 2004) 03O0336O45 收稿日期: 2004O02O19 基金项目: 国家自然科学基金( 编号: 69878019 和10174050) 江苏省自然科学基金(编号: DK97139 江苏省教育厅新世纪学术带头人培养基金和上海市重点学科及教育部211专项基金资助 空心光束的产生及其在现代光学中的应用 印建平 光谱学与波谱学教育部重点实验室,华东师范大学物理系, 上海 200062 苏州大学物理系,苏州 215006) 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, 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。由于空心光束具有一系列新颖独特的物理性质:如桶状强度分布、较小的暗斑尺 DSS)和传播不变性, 并且具有自旋与轨道角动量等, 空心光束作为激光导管、光学镊 和光学扳手,目前已成为实现微观粒子( 如微米粒子、纳米粒子和生物细胞等) 确操纵和控制的有力工具。   1993 Wang等人 横模产生了一束半径可变的环状空心光束, 其中环状模式的半径可以通过激光频率的调谐来改变。此外, White等人通过改变钠分子蒸汽激光环形腔的长度在 525Lm 处产生了一束 TEM01 环状空心光束的产生Ito 等人 实验装置如图4所示。产生高阶贝塞尔光束的原理较为简单:当用一个弧向指标为 的单环拉盖尔O高斯光束照射位于其束腰的圆锥棱镜时, 通过固定相位方法计算菲涅尔衍射积分, 我们可以得 iKzexp[ ik( exp(ikrr exp(ikr c2 exp(il 是归一化常数,相位因子 exp( 是圆锥棱镜引起的相位延迟,并且拉盖尔O 高斯光束( 进行积分,则通过棱镜后的输出强度正比于: Wz2l+ 19)其中/ 最大无衍射传播距离0 Zmax被定义为: Zmax 用拉盖尔O高斯光束照)角锥棱镜产 生近似高阶贝塞尔光束的实验装置 这里折射率 19)说明, 在近轴情况下, 由拉盖尔O高斯光束( 阶的贝塞尔光束。最近, Yin [12]采用一对不对称的顶角分别为 1b 20b的圆锥棱镜产生了一束具有双高斯径向强度分布的、宽度半径比约为1/ 11 的超窄空心光束。随后, 其他的小组也通过类似的透镜) 圆锥棱镜系统在透镜的像平面附近产生了局 域空心光束。与此同时, 其他一些研究小组开展了空心光束在微观粒子的激光囚 禁与操控等实验中的应用研究。图6 是圆锥棱镜 后相同位置处 阶的贝塞尔光束截面图。在本文第二节中, 我们将首先给出 空心光束的定义及其参数;实验中所用的拉盖尔O高斯光束的束腰为 w0= mm,圆锥棱镜放置在束腰的 位置。空心光束;为了使激光输出 在任何时候只有一个圆环并仍能保持圆环尺寸的最大扫描范围, 选取腔内负透镜的参数 使得光束的发散角刚好小于角度 H0。最近, 为了有 效地将冷原子从磁光阱装载到一空心光束势阱中, Kaplan 等人 19]提出了一种由一个望远 系统、两个圆锥棱镜和一个二元位相元件构成的混合方法产生了一束具有较大暗中空区 域的局域空心光束, 并得到了可与磁光阱( mm)尺寸相匹配的内径为1 mm、轴向长 mm的理想局域空心光束。位相因子 il应用光学 西安应用光学研究所 应用光学答案 浙江大学 应用光学 应用光学课件 应用光学习题答案 物理光学与应用光学 光学测量技术与应用在第五节中将简 要综述空心光束在现代光学中的应用。当 100mrad, 15cm, 15cm 106cm, 他们得到了一个内径为280 Lm、轴向长 92mm 的三维封闭的局域空心光束, 相应的纵横比为14。位置 以及特征长度z0 分别为: 若双圆锥棱镜的长度为2L,顶角为2 则通过简单的射线光学分析,即可发现所产生的空心光束 强度可近似表示为二高斯光束 15)这里坐标( 此外,如图4( 定义的面包圈空心光束两峰值强度间的圆环直径2R0 由棱镜的长度 系如下:R0 在实验中,Ito 等人 mm,顶角为2 90b,实验结果如图4( 是HeONe激光器输出的束腰为 w0 35mm 的高斯光束的相对强度分布。一半径为 mm的光阑用于滤掉全息光栅的其它级次衍射光束。由于光束是关于光轴对称的, 所以 输出的激光是环状光束( 犹如/ 面包圈0空心光 这里P0 是输出空心光束的激光功率, zR= Pw0 w0分别是平面 处的束腰w0 为起点的传播距离。   这表明局域空心光束的 暗中空区域可以通过改变 等参数来调节。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。340 所以产生的空心光束的内侧与外侧的径向强度分布都比较陡。Yan等人 [10] 使用一对 凸、凹的镀有增透膜的圆锥棱镜产生了一束准直性很好的、暗斑尺寸从 调的空心光束。同样, 方向传播且在x方向偏振的拉盖尔O高斯光束的电场可以表示为: iw[up 24)在柱坐标下, 上式中函数 up, 可以写为343 邱建平等:空心光束的产生及其在现代光学中的应用 LGpl @expikr exp(-il 25)这里 LGpl 是归一化因子, 整数变量 即轴向和弧向模式指标)。有关空心光束角动量的介绍可参阅文献[ 空心激光束(HLB) 的产生 近年来, 由于某些新的应用, 人们采用诸如横模选择法、几何光学法、模式变换法、光 学全息法、计算全息法和微米尺寸中空光纤法等各种方法产生了一系列新颖的空心激光 束。空心光束的定义及其参数空心激光束( Hollow Laser Beam, HLB) 顾名思义,是一种在传播方向上中心光强为 零的环状光束。空心光 束的内径和外径( 即最大光强的e 处的宽度)分别为0. mm与方程( 17) 式吻合得很好。这里入射的拉盖尔O高斯光束 可以通过将一束线偏振HeONe 高斯激光束照射到一衍射效率为 30%的计算全息光栅 14]而得到。为此, 本文将就/ 空心光束的产生及其在现代光学中的应 用0作一系统介绍与综述, 希望起到抛砖引玉的作用。激光腔外透镜焦平面上四个不同振荡频率的输出模式花样 实验中, 当激光频率通过旋转反射镜连续改变 也就是说,可以得到一系列不同暗斑尺寸的空 心光束输出。   Arlt 等人 [13] 采用一个圆锥棱镜将一束拉盖 尔O高斯光束转换为一束高阶贝塞尔光束, 其实验 装置如图5 所示。增益区域为 10 mm 直径约为2w mm,对于从染料池输出的光束, 其半衍射角为 004rad。高阶贝塞尔光束的产生由于高阶贝塞尔光束等/ 无衍射光束0 在冷原子的导引和准直中有着重要的应用, Arlt 等人 13]采用拉盖尔O高斯光束照射一个圆锥棱镜得到了 束。如果第一个透镜和棱镜之间的距离 则光束在第一个透镜的像方焦距平面上产生一个发散的圆锥形空心光束。再经过棱镜的第二次折射后, 从另一端产 339 邱建平等:空心光束的产生及其在现代光学中的应用 生一束近似平行的面包圈环形空心光束。Arlt等人 [11] 也利用一个透镜与圆锥棱镜系统将任意高阶的拉盖尔O高斯 光束转换为一束宽度约50 Lm, 宽度半径比约为1/ 26 的超窄环状空心光束。作为激光导管、光学镊子 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。最近, King 等人 [15] 采用一双轴晶体实现了 贝塞尔光束从零阶至一阶或从一阶至二阶的转换, 并分别得到了 阶贝塞尔光束的横截面(355 ) 光强分布及其径向强度分布, 其贝塞尔光束内环半径随着l Lm增至 局域空心光束的产生为了实现一个可控制的具有较大体积的单束空心光束原子囚禁, Cacciapuot 在包含光轴的平面内局域空心光束的纵向截面光强分布采用一个透镜与圆锥棱镜系统产生了一束中心光强为零的局域空心光束, 其实验装置如 的会聚透镜后射入圆锥棱镜。模式变换法Allen 等人 20]的研究表明: 一束拉盖尔O高斯光束( LG 光束) 可以通过一象散激光模 式变换器由一束厄密O高斯光束( HG 光束) 变换得到。随后, 另外几个小组采用圆锥棱镜系统产生了一些具有不同径向光强分布的空心光 束。换句话说, 轴向光强为零的光束称为/ 空心光束0 光束截面及其径向强度分布如图1所示。通过腔内的负透镜, 其衍射角可以增至 0l2rad。实验装置是一 台氮分子泵浦的染料激光系统, 如图 所示!   Song 等人 利用三个圆锥棱镜( 其顶角为3b) 和一个简单透镜在波长为K= 852 nm 的半导体激光中产生了 一类似的空心光束。在实验中, 空心光束由一个圆锥棱镜和一个对于光束的内径和外径 具有不同焦点的透镜所产生, 两个附加的圆锥棱镜用于控制空心光束的直径和圆环宽度。在实验中, Wang 等人 的FOP标准具, 相应的角 0l36rad。空心光束凹口内描述径向强度分布弯曲点的归一化斜率337 邱建平等:空心光束的产生及其在现代光学中的应用 是最大斜率处的径向位置。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。相应的激光输出模式如图3 所示, l7,240 cm 事实上,除了上述实验以外, 在此之前其他小 组也采用该方法产生了一些空心光束。光栅的中心距离染料池约为7 cm, FOP 标准具放在染料池的另一 cm。关键词: 激光;模空心光束产生的激光腔方案如果激光工作波长为 FOP标准具的厚度 则通过FOP标准具的最大透 射率出现时对应的入射角由下式给出: ndcos( FOP标准具的自由 光谱范围。为了描述或比较各类不同的空心光束, 除了一些诸如激光频率 vL 束发散角A等激光束的一般参数外, 有必要定义几个表征空心光束径向强度分布特征的 特殊参数。当腔内使用f 25mm 的负透镜时, 腔内光束的半发散角为0. 012 rad。自90 年代以来, 人们采用诸如横模选择法、几何光学法、模式变换法、光学全息法、计 算全息法、中空光纤法和P 位相板法等各种方法产生了各种不同的空心光束, 并得到了一 些很好的实验结果。Herman等人 [18] 提出了一种利用球差透 镜和投影透镜来产生并放大空心光束的新方法, 并进行了理论分析与研究。例如, Rioux 等人 通过使用一个圆锥形腔从一个环状激光横模获得了一束类似的空心光束, 不过其激光波长为10. Lm,属于红外波段;因此,空心光束在激光光学、二元光学、计算全息、微观粒子的 光学囚禁、材料科学、生物医学等方面有着广泛的应用前景。空心束横模选择法这是一种在激光器中采用横模选择技术产生空心光束的简单方法!   最后, 空心光束还具有光学自旋( Sz) 和轨道角动量( Lz) 其总的角动量(Jz 不同的空心光束具有不同的光学自旋和轨道角动量,它们作为光学扳手可用于旋转 微观粒子( 详见4. 节的讨论)。光学囚禁( 光学镊子/ 光学扳手中图分类号: 近年来,随着激光技术的发展及其应用领域的拓展, 人们采用各种方法产生了一系列 具有中心光强为零的新颖激光束: 如拉盖尔O高斯光束、高阶贝塞尔光束, 面包圈空心光束 和LP01模输出空心光束等, 形成了一个特殊的称之为空心激光束( HLB) 的光束大家 。所得到的贝 341 邱建平等:空心光束的产生及其在现代光学中的应用 塞尔光束经一显微物镜( @10) 放大后, 其强度分布由一CCD 相机记录。负透镜大致放在染料池与FOP标准具的中间, 并且稍稍倾 斜以防止来自它表面反射光的影响。激光导管;环状光束宽度(Wr Wr被定义为半个径向强度 分布中, 光强最大值的两个1/ WDHB-2r 宽度半径比(WRR) 如图1所示, 宽度半径比被 定义为环状光束宽度 Wr 与光束半径r 之比,也就是: WRR 此外,还有两个在一些实验或应用中非常有用的参 方向上光强梯度为最小值的位置,即有( 是空心光束的相对强度。
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