环形阵列艾里涡旋光束的自聚焦特性 下载: 1491次
1 引言
艾里光束具有无衍射、自愈、自加速特性[1-6],在微粒操控[7-8]、等离子通道[9]、光子弹[10-12]、超分辨成像[13]等领域有着广阔的应用前景。在激光医疗上,传统的光镊技术将普通的高斯光束进行高度聚焦,具有非接触、无机械损伤等优点。但是高斯光束在聚焦过程中会对正常细胞产生热损伤,因此到达病变细胞前,需要保持低能量传播。而由环形阵列艾里光束形成的自聚焦光束在聚焦前维持在一个比较低的光强值,到达聚焦的位置后,其光强迅速增大。基于这种性质,自聚焦光束可以应用于激光医学治疗、激光烧灼等领域[14],还可以应用于受激辐射、光子吸收等物理过程[15]。在2010年,Efremidis等[16]在理论上提出圆艾里光束,随后这种圆艾里光束在实验中被证实。该光束是将一维艾里光束做径向对称,由于具有自加速特性,圆艾里光束在传播过程中能量逐渐向中心靠拢。因此, 圆艾里光束是一个能在传播过程中实现自聚焦的光束。提高光束的聚焦性能一直是人们积极研究的方向。Jiang等[17]通过控制部分相干圆艾里光束的相干长度,提高了光束的自聚焦特性;张泽等[18]利用多个一维艾里光束合成自聚焦光束,提高了自聚焦光束的光强。Zhuang等[19]利用高阶的径向偏振光束进行高数值孔径聚焦,在焦点处形成了一个亚波长的焦点;Prabakaran等[20]利用双环形径向偏振光束结合特殊的相位调制,得到了亚波长的焦点和超长的聚焦深度;赵承良等[21]通过改变入射光束的束腰半径和聚焦系统的焦距,得到了高聚焦的贝塞尔高斯光束。此外,若要改变焦点形成的位置,需要对聚焦系统进行机械移动,这必然会影响到光束的聚焦精度。同时,光束与聚焦系统的直接接触对聚焦材料所能承受的功率强度也有一定的要求。
光学涡旋(OVs)是近年来备受关注和研究的一种特殊光场,其光学相位波前呈现以2π为周期的螺旋错位,涡旋的中心是一个暗核,该位置的光强为零[22]。光学涡旋携带着轨道角动量,其大小由拓扑荷决定。涡旋光束在微粒操控、光学波导等领域具有广泛的应用[23-24]。近年来,不少研究者基于艾里光束和光学涡旋的独特性质,将光学涡旋植入到艾里光场以得到艾里涡旋光束[25-27],并研究其光场特性和应用。程振等[28]采用多层相位屏法模拟了艾里涡旋光束在大气湍流中的漂移特性;Deng等[29]研究了艾里涡旋光束在单轴晶体中的传输特性;Liu等[30]研究了艾里涡旋光束在手性介质中的传播;狄颢萍等[31]研究了圆艾里高斯涡旋光在各向异性非Kolmogorov湍流大气中的传输特性。
本文采用多光束合成的方法,考虑到
2 理论
光束在傍轴近似情况下的传播遵循的波动方程[1]可表示为
式中:
式中:
二维艾里光束可以看成是关于
艾里光束具有横向自加速(自弯曲)特性,
图 1. 具有自加速特性的艾里光束。(a)一维艾里光束;(b) CAAB示意图
Fig. 1. Airy beam with self-accelerating characteristics. (a) One-dimensional Airy beam; (b) schematic of CAAB
式中:
式中:(
为了更好地衡量自聚焦光束的自聚焦性能,定义
3 数值模拟
图 2. 环形阵列艾里光束的传播。(a1)侧视传播图;(a2)传播中能量分布;(b1)~(b3) n=35时的光场分布;(c1)~(c3) n=45时的光场分布;(d1)~(d3) n=60时的光场分布
Fig. 2. Propagation of CAAB. (a1) Side view of propagation; (a2) intensity distribution during propagation; (b1)-(b3) optical ield distributions for n=35; (c1)-(c3) optical field distributions for n=45; (d1)-(d3) optical field distributions for n=60
式中:
图 3. 不同n值的CAABs光强分布曲线图。(a)初始位置;(b)聚焦位置;(c) K值比较
Fig. 3. Intensity profiles of CAABs with different n values. (a) Initial position; (b) focusing position; (c) K value comparison
实验利用德国HOLOEYE Photonics AG公司生产的Holoeye型空间光调制器(SLM,像元大小为8 μm,分辨率为1920 pixel×1080 pixel)结合计算全息技术在实验中产生环形阵列艾里涡旋光束。如
图 5. CAAVB。(a1)侧视传播图;(a2)计算得到的全息图;(b1)~(b3)分别为传播到ξ=0,263,335平面处的光场分布;(c1)~(c3)图5(b1)~(b3)相应的相位分布图;(d1)~(d3)图5(b1)~(b3)相应的实验结果图
Fig. 5. CAAVB. (a1) Side view of propagation; (a2) computed hologram; (b1)-(b3) optical field distributions in planes at ξ=0,263, and 335, respectively; (c1)-(c3) phase distributions corresponding to Figs. 5(b1)-(b3); (d1)-(d3) experimental results corresponding to Figs. 5(b1)-(b3)
从
图 6. CAAVB的光强分布图。(a)初始位置;(b)聚焦位置;(c) K值比较
Fig. 6. Intensity profiles of CAAVB. (a) Initial position; (b) focusing position; (c) K value comparison
此外,根据环形艾里光束焦距表达式[3,33]
图 7. 焦距可调谐的CAAVB。(a1) r=0.85时的初始光场分布; (a2) r=0.85时的侧视传播图;(b1) r=1.34时的初始光场分布;(b2) r=1.34时的侧视传播图
Fig. 7. CAAVB with tunable focal length. (a1) Initial intensity distribution for r=0.85; (a2) side view of propagation for r=0.85; (b1) initial intensity distribution for r=1.34; (b2) side view of propagation for r=1.34
4 结论
基于艾里光束的自加速特性,通过改变环形二维艾里光的阵列数,有效提高了自聚焦光束的光场强度。在环形阵列艾里光阵列中引入拓扑荷数为+1和-1的离轴双光学涡旋,大幅度提高了自聚焦光束的聚焦性能。通过改变二维艾里光阵列半径
[1] Berry M V, Balazs N L. Nonspreading wave packets[J]. American Journal of Physics, 1979, 47(3): 264-267.
[6] 李绍祖, 沈学举, 王龙. 自加速艾里光束的生成及控制[J]. 中国激光, 2018, 45(5): 0505003.
[8] Shvedov V G, Rode A V, Izdebskaya Y V, et al. Giant optical manipulation[J]. Physical Review Letters, 2010, 105(11): 707-712.
[16] Efremidis N K, Christodoulides D N. Abruptly autofocusing waves[J]. Optics Letters, 2010, 35(23): 4045-4047.
[18] 张泽, 刘京郊, 张鹏, 等. 多艾里光束合成自聚焦光束的实验实现[J]. 物理学报, 2013, 62(3): 034209.
[21] 赵承良, 王立刚, 陆璇辉. 高聚焦空心光束对介质小球产生的辐射力[ C]∥中国光学学会2006年学术大会论文摘要集, 2006.
Zhao CL, Wang LG, Lu XH. Radiation force generated by high-focusing hollow beam on medium spheres[ C]∥Abstract Collection of 2006 Academic Conference of China Optical Society, 2006.
[22] 孙喜博, 朱启华, 刘兰琴, 等. 高功率涡旋光束产生方法研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2017, 54(7): 070001.
[26] 程科, 夏基深, 钟先琼. 艾里涡旋光束在梯度折射率介质中的动态传输与涡旋轨迹[J]. 光子学报, 2014, 43(9): 0905002.
[28] 程振, 楚兴春, 赵尚弘, 等. 艾里涡旋光束在大气湍流中的漂移特性研究[J]. 中国激光, 2015, 42(12): 1213002.
[31] 狄颢萍, 张淇博, 周木春, 等. 圆艾里高斯涡旋光在各向异性非Kolmogorov湍流大气中的传输[J]. 中国激光, 2018, 45(3): 0305001.
[32] 吴鹏飞, 柯熙政, 宋强强. 自聚焦阵列艾里光束的实验实现[J]. 中国激光, 2018, 45(6): 0605002.
赖松陶, 兰燕平, 毛红行, 钱义先. 环形阵列艾里涡旋光束的自聚焦特性[J]. 中国激光, 2019, 46(4): 0405002. Songtao Lai, Yanping Lan, Hongxing Mao, Yixian Qian. Self-Focusing Characteristics of Circular Array Airy Vortex Beams[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(4): 0405002.