四川师范大学物理与电子工程学院，四川 成都 610068
采用数值模拟方法研究了大气非线性自聚焦效应对艾里光束上行大气传输特性和光束质量的影响，结果表明：大气自聚焦效应随着艾里光束指数截断因子的增大而增强，并会导致艾里光束的实际焦点向靶面移动。采用预散焦方法可使靶面上的光束始终保持艾里轮廓，同时可使靶面光强得到显著提高。本文得到了预散焦的焦距公式，并证实了其有效性。研究发现：预散焦后，即使光束功率远远超过了自聚焦临界功率，非均匀大气的自聚焦效应也不会破坏艾里光束的自加速特性，有助于地基激光束避开障碍物，清除空间碎片。在相同的功率下，艾里光束相比高斯光束在碎片靶面上有更高光强，并且艾里光束具有更强的抵抗自聚焦效应的能力。因此，艾里光束比高斯光束更适合地基激光对空间碎片的清除。
1 湖北工业大学机械工程学院现代制造质量工程湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430068
2 湖北理工学院智能输送技术与装备湖北省重点实验室, 湖北 黄石 435000
艾里光束具有无衍射、自加速和自愈合三大特性, 其中自加速特性最吸引人。为更全面了解艾里光束的自加速特性, 在保证其轨迹完整的前提下, 基于几何变换改变相位图中立方相位的相对位置和旋转角度来探究艾里光束的加速特性, 利用傅里叶光学推导出对应的光谱公式进行验证。结果表明, 相位图几何变换调制可以显著改变艾里光束的传播轨迹位置和空间偏转位置。研究对艾里光束的自加速特性领域及应用提供了更全面的认识, 对控制其他加速光束的理解提供了新的思路。
艾里光束 空间光调制器 能量分布 相位图 几何变换 Airy beam spatial light modulator energy distribution phase diagram geometric transformation
山西大学 物理电子工程学院 山西 太原 030006
基于分数阶三次-五次非线性薛定谔方程, 数值研究了初始啁啾对双艾里光束传输特性的影响。结果表明: 当同相的两个艾里光束初始间隔为零时, 在分数阶衍射效应和初始啁啾共同作用下形成呼吸孤子或相互排斥的孤子对。艾里光束相互吸引时可以产生准稳定传输的呼吸孤子, 而相互排斥时则形成横向间隔增大的孤子对。当初始间隔不为零时, 初始啁啾的绝对值越大, 两个艾里光束之间的排斥力越强, 光束演化偏转角也越大, 且随着Lévy指数的增大, 衍射效应使光束宽度变大。当初始输入的两个艾里光束反相时, 整体均表现为排斥作用, 且初始啁啾越大, 两艾里光束间的排斥力越强。
三次-五次分数阶非线性薛定谔方程 艾里光束 啁啾 cubic-quintic fractional nonlinear Schrdinger eq Airy beam chirp 量子光学学报
2023, 29(1): 010701
Author Affiliations
Abstract
1 University of Freiburg, Department of Microsystems Engineering, Laboratory for Micro-Optics, Freiburg, Germany
2 GRINTECH GmbH, Jena, Germany
3 University of Freiburg, Department of Microsystems Engineering, Microsystems for Biomedical Imaging Laboratory, Freiburg, Germany
One-dimensional Airy beams allow the generation of thin light-sheets without scanning, simplifying the complex optical arrangements of light-sheet microscopes (LSMs) with an extended field of view (FOV). However, their uniaxial acceleration limits the maximum numerical aperture of the detection objective in order to keep both the active and inactive axes within the depth of field. This problem is particularly pronounced in miniaturized LSM implementations, such as those for endomicroscopy or multi-photon neural imaging in freely moving animals using head-mounted miniscopes. We propose a new method to generate a static Airy light-sheet with biaxial acceleration, based on a novel phase profile. This light-sheet has the geometry of a spherical shell whose radius of curvature can be designed to match the field curvature of the micro-objective. We present an analytical model for the analysis of the light-sheet parameters and verify it by numerical simulations in the paraxial regime. We also discuss a micro-optical experimental implementation combining gradient-index optics with a 3D-nanoprinted, fully refractive phase plate. The results confirm that we are able to match detection curvatures with radii in the range of 1.5 to 2 mm.
light-sheet microscopy Airy beam accelerating beams field curvature two-photon polymerization Advanced Photonics Nexus
2023, 2(5): 056005
天津大学 医学工程与转化医学研究院，天津 300072
光片显微镜是近些年来研究较多的生物成像技术，相较于传统的激光共聚焦扫描显微镜而言，光片显微镜能够实现快速、低光毒性的体积成像。光片显微镜的照明光束可以选择高斯光束或其他无衍射光束（如贝塞尔光束、艾里光束等）。艾里光片显微镜是目前研究较多的技术，但是普通的艾里光片显微镜存在一个较大的问题，艾里光束具有自弯曲的特性，导致艾里光片在视场的两端超出探测物镜的景深范围，无法发挥出最优的成像效果。将艾里光束旋转45°形成平板艾里光片，使艾里光片不超出探测物镜的景深，以增大光片显微镜的成像视场。并利用双光子荧光激发技术，免除图像的后处理过程，大大提高了成像的效率。利用Matlab进行光学仿真，得到平板艾里光片显微镜的成像视场（~900 μm）比普通艾里光片显微镜的成像视场（~600 μm）增加了50% 。搭建的平板艾里光片显微镜利用荧光微球进行校正实验，得到成像系统的横向分辨率为(1.93±0.17) μm，轴向分辨率为(3.19±0.41) μm。对斑马鱼脑出血模型的实时观测中，可以得到时间分辨率为x×y×z = 0.60 mm×0.60 mm×0.40 mm/60 s 的成像结果，并可以对局部血管的生长和发育进行实时监测，有利于脑出血疾病的机制探究。
光片荧光显微镜 平板艾里光束 光束调制 light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) planar-Airy beam beam modulation 红外与激光工程
2022, 51(11): 20220354
红外与激光工程
2022, 51(6): 20220096
1 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
2 湖南理工学院信息科学与工程学院信息光子学与空间光通信湖南省重点实验室，湖南 岳阳 414006
利用环形艾里振幅调制部分相干光（PCB），解决PCB的光束扩散问题，并研究了艾里函数尺度因子、截断孔径和相干长度对光束自聚焦距离和聚焦强度的影响，以及部分相干环形艾里光束在湍流环境中的闪烁指数。研究结果表明：通过调制环形艾里振幅可以控制PCB的聚焦距离，并在保留PCB对抗湍流影响、减轻光强闪烁的同时减少光束发散，聚焦点处光强闪烁较原本PCB得到进一步降低。
物理光学 湍流光学 激光传输 激光光束特性 环形艾里部分相干光 自聚焦 光束调控 光学学报
2022, 42(20): 2026002
1 陆军工程大学 通信工程学院, 南京 210001
2 中国人民解放军 31121部队
为进一步分析艾里光在光通信中的可行性, 以艾里光为载波, 研究了弱湍流下基于对数正态分布湍流信道模型的自由空间光(FSO)通信系统的平均误码率、中断概率及平均信道容量, 与相同湍流条件和传输距离下以高斯光为载波的FSO通信系统性能进行了对比, 同时讨论了艾里光自身的光束宽度、指数截断因子及传输距离对系统性能的影响。仿真结果表明, 在湍流条件及传输距离相同时, 基于艾里光的FSO通信系统的性能明显优于基于高斯光的FSO通信系统性能, 且随着平均信噪比的增加, 以艾里光为载波的链路性能优势体现更为显著。
艾里光束 自由空间光通信 弱湍流 对数正态分布 性能分析 Airy beam, free space optical communication, weak
上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
为研究艾里光束的聚焦特性，基于几何相位推导出了圆柱坐标系下聚焦区域附近电磁强度矢量和能量通量的理论公式，并利用矢量衍射理论对其可行性进行了验证。结果表明：几何相位调制参数可以显著改变艾里光束的主瓣尺寸、光瓣间距和能量分布；通过在艾里光束原立方相位基础上引入涡旋相位，有效地转换了光束主瓣的能量和相位，且光束主瓣不再保持原有形态。本研究为艾里光束在光学采样与操作、光通信、数据存储和成像等领域中的应用提供了一定的基础。
衍射 几何相位 矢量衍射理论 艾里光束 能量分布 光学学报
2022, 42(14): 1405006
1 空军工程大学信息与导航学院，陕西 西安 710077
2 西安卫星测控中心，陕西 西安 710043
基于惠更斯-菲涅耳衍射积分，对指数衰减、空间截断、频域截断和恒等振幅截断等方法产生的有限能量艾里光束的传输演化特性进行了比较分析，讨论了横向尺度因子和截断孔径宽度对其无衍射传输距离和横向加速特性的影响。研究结果表明：当截断孔径宽度相同时，增大横向尺度因子，几种有限能量艾里光束的无衍射传输距离和横向加速偏移量均增大；当横向尺度因子相同时，几种有限能量艾里光束的无衍射传输距离均随截断孔径宽度的增大而增加；当截断孔径宽度和横向尺度因子相同时，频域截断有限能量艾里光束的无衍射传输距离最短，指数衰减和空间截断有限能量艾里光束的较长，而恒等振幅有限能量艾里光束的最长。该结果对于拓展有限能量艾里光束在长距离传输方面的应用具有一定的意义。
物理光学 艾里光束 有限能量 截断孔径宽度 横向尺度因子 传输演化特性 激光与光电子学进展
2022, 59(13): 1326001
