自聚焦圆贝塞尔高斯涡旋光束在自由空间中的传播特性

根据近轴光场方程及分步傅里叶算法,数值模拟了圆贝塞尔高斯涡旋光束在自由空间的传播.与传统自聚焦光束相比,其聚焦距离更长,焦平面强度更高.通过缩放光斑的初始尺寸,光束的聚焦特性也会随之改变.由于焦点处存在中空区域并携带轨道角动量,其在粒子捕获有着应用前景.此外,还研究了涡旋形式对该光束的影响.     

高阶贝塞尔光束的Z扫描理论

以菲涅耳-基尔霍夫衍射理论为基础,研究高阶贝塞尔光束穿过非线性光学介质的衍射效应,从而解释高阶贝塞尔光束的Z扫描现象.通过对使用高斯光束、零阶贝塞尔光束、一阶贝塞尔光束、二阶贝塞尔光束和三阶贝塞尔光束的归一化Z扫描曲线对比,表明使用高阶贝塞尔光束较使用零阶贝塞尔光束的Z扫描具有更高的灵敏度.高阶贝塞尔光束的Z扫描为测量介质非线性光学系数提供了一种更为精确的测量方法.     

贝塞尔光束的简易实现方法

对光纤中传播的电磁场分析发现,其纵向分量可以用贝塞耳函数及第二类变态贝塞耳函数来描述,据此,提出一种利用玻璃毛细管和聚焦透镜实现贝塞尔光束的简易方法.通过观察发现,在光束传播方向,出射光束即为贝塞尔光束,沿光束传播方向的光强分布不会发生改变,仅产生扩散.研究表明,随着聚焦透镜的焦距f的变大,贝塞尔光束的高瓣数光环的光强变弱,光束的光强向低瓣数光环和中心光斑移动;随着毛细管长度l的增加,光束的高瓣数的光环光强在不断增强.此外,研究还表明,透镜与毛细管端面之间距离d对于出射光束横截面上的光强分布有很大的影响.     

轴锥镜对高斯光束变换特性的研究

首先从理论上推导出了高斯光束经轴锥镜变换后的光束特性,即光场分布具有零阶贝塞尔函数的形式-无衍射光束;其次用实验验证了这种变换后的光束比高斯光束具有较小的发散角和较长的准直聚焦距离;最后给出了实验的结果和分析.     

一新型矢量光束产生的理论及实验研究

在抛物线坐标系中,基于求解矢量波动方程,得到新型矢量光束及其通过聚焦后的电场解析表达式.相应数值计算和实验探究表明:该光束的光强分布类似第一类零阶贝塞尔光束,聚焦后出现空心现象.所得结果对于矢量光束在光通信和光捕获方面有一定的参考价值.     

双环缝法产生局域空心光束的理论研究和设计分析

通过严格的理论推导得出双环缝干涉叠加可以产生双零级贝塞尔光束的结论;当位于透镜前焦面的双环缝在设计上满足一定条件时可以在透镜后产生局域空心光束。文中给出了有关理论分析和计算机模拟结果。     

环形光束中双层球的光俘获

基于光镊的几何光学模型建立了内层折射率小于外层折射率和周围介质折射率的双层球形微粒在环形光束中的光俘获力的模型.以空心球壳为例,对其在TEM01>模式的环形高斯光束中受到的光俘获力进行了数值模拟.通过数值模拟的结果,分析了俘获低折射率双层球的三维条件.发现低折射率双层球形微粒在光轴上的稳定俘获位置较之高折射率双层球形微粒的稳定俘获位置逆着光束传播方向移动.另外,在一定条件下在光轴以外的位置低折射率双层球形微粒也能被稳定俘获.     

微粒在涡旋光场高阶贝赛尔光束中的受力分析

根据涡旋光场高阶贝赛尔光束表达式,推导出了微粒在此光束中所受轴向力的表达式并进行了计算.分别研究了在贝塞尔光束中,高折射率微粒与低折射率微粒所受轴向力与粒子半径、折射率、光束波长、束腰半径之间的关系.数值结果表明该光束不仅可以捕获高折射率微粒,也可以捕获低折射率微粒.     

修正贝塞尔高斯谢尔光束在湍流中的演变特性

研究了修正贝塞尔高斯谢尔(MBGS)光束在柯尔莫哥诺夫湍流模型下的演变特性,推导了MBGS光束在源平面场的表达式,在此基础上利用广义惠更斯-菲涅尔积分原理获得任意阶修正贝塞尔高斯谢尔光束在经过湍流大气后的平均光强解析表达式.数值计算和分析表明:相关宽度对MBGS光束在湍流大气中的演变特性具有重要影响,增大相关宽度减缓了修正贝塞尔高斯谢尔光束演变为高斯光束的进程,增大了光束经过湍流大气后接收平面的光强.相比于高阶MBGS光束,低阶MBGS光束在湍流大气中传播后能够获得更大的归一化平均光强,但在传播过程中比高阶MBGS光束更早演变为高斯光束.MBGS光束在湍流大气中传播时,相关宽度优化选取后的低阶、短波长MBGS光束具备更强的抗干扰性.     

矩阵表示法在贝塞尔-高斯光束通过多光阑复杂光学系统传输中的应用

用矩阵表示法研究了贝塞尔-高斯光束通过多光阑复杂光学系统的传输,给出了用矩阵表示的传输公式,以光阑-透镜系统为例进行数值计算,计算结果与直接由Collins公式积分所得结果一致,矩阵表示法在菲涅尔区和夫朗和费区都达到了足够的精度,并节约了大量机时.     

Simultaneous micromanipulation in multiple planes using a self-reconstructing light beam

Optical tweezers are commonly used for manipulating microscopic particles, with applications in cell manipulation, colloid research, manipulation of micromachines and studies of the properties of light beams. Such tweezers work by the transfer of momentum from a tightly focused laser to the particle, which refracts and scatters the light and distorts the profile of the beam. The forces produced by this process cause the particle to be trapped near the beam focus. Conventional tweezers use gaussian light beams, which cannot trap particles in multiple locations more than a few micrometres apart in the axial direction, because of beam distortion by the particle and subsequent strong divergence from the focal plane. Bessel beams, however, do not diverge and, furthermore, if part of the beam is obstructed or distorted the beam reconstructs itself after a characteristic propagation distance. Here we show how this reconstructive property may be utilized within optical tweezers to trap particles in multiple, spatially separated sample cells with a single beam. Owing to the diffractionless nature of the Bessel beam, secondary trapped particles can reside in a second sample cell far removed ( approximately 3 mm) from the first cell. Such tweezers could be used for the simultaneous study of identically prepared ensembles of colloids and biological matter, and potentially offer enhanced control of 'lab-on-a-chip' and optically driven microstructures.     

贝塞尔光镊颗粒物观测系统的设计研究

搭建贝塞尔光镊颗粒物观测系统。通过圆锥透镜产生贝塞尔光, 利用贝塞尔光施加的光压力和反向气流施加的阻力, 稳定地悬浮气溶胶颗粒物。结合弹性光散射信号, 实现对气溶胶单颗粒粒径和折射率的测量。该系统还可用于研究不同环境条件下气溶胶的吸湿性、挥发性以及折射率等物理化学性质。     

水溶液中聚苯乙烯小球的单光束光操纵及有序结构的形成

利用单束强聚焦激光对悬浮于水中的聚苯乙烯小球进行了二维的光操纵,并研究了聚苯乙烯小球在光阱中的动力学过程。实验果表明:在切向光梯度力的作用下,聚苯乙烯小球会在样品盒的衬底上发生自组装行为形成二维有序的六角密排的周期性结构。利用这种单光束光组装的方法,在玻璃基底上制备了聚苯乙烯小球二维有序周期性结构。该研究结果将为利用单光强聚焦激光来制备微纳光子多功能器件提供理论依据及实验参考。     

光阱中多个金纳米棒的双光子荧光效应及热熔合过程

本文利用单束、波长对应金纳米棒长轴表面等离子共振的飞秒脉冲激光对多个长度为40 nm,直径为10 nm的金纳米棒颗粒进行了光捕获,系统研究了金纳米棒颗粒在共振激光作用下的双光子荧光及光致热熔合效应.实验结果表明,在光阱捕获过程中金纳米棒颗粒会激发出明显的双光子荧光.当多个金纳米棒被光力捕获在光斑中心时,金纳米棒发生热熔化并熔合成大尺寸的金纳米团簇.利用这种单光束光镊熔合技术,我们在玻璃衬底上制备了二维有序的金纳米团簇阵列.这一研究对利用金纳米棒颗粒来制备微纳光子结构及多功能光子器件等具有重要的指导意义.     

微粒在飞秒激光光场中的受力特性分析

在分析微粒处于连续高斯光束光场和飞秒脉冲激光光场中轴向光阱力特性的基础上,用数值方法计算了两种情况下微粒所受的轴向力,比较了微粒在两种光场中所受轴向力和热效应的异同,导出了飞秒激光光镊实现对微粒捕获的条件．     

绿光LED产生无衍射Bessel光束

采用单色LED光源得到较理想的近似无衍射Bessel光束．文中从LED光源的时空相干性出发分析用单色LED灯珠产生Bessel光束的可能性,利用光阑提高光场的空间相干性得于实现．设计实验光学系统,让LED光源发出的光经过一套光学系统后透过轴棱锥,得到了近似Bessel光束,光束中心亮斑大小及最大无衍射距离均与理论计算所得相符,证明用LED光源也能够产生较理想的近似Bessel光束．最后讨论了光阑孔径对所产生Bessel光束质量的影响,发现光阑孔径增大时所得Bessel光束强度变大但截面光强明暗对比度下降．     

基于电动现象的细胞光镊阱力测量

提出了一种新的细胞光阱力标定的实验方法，利用细胞电泳原理，设计并研制了一套符合用光镊测力的电动样品池系统，用它替代单光镊操作系统中的普通样品池和高精密压电位移驱动平台，可以用电压调控细胞运动速度，系统相对简单、经济．实验测量结果为：在2～18V／cm电压梯度范围内，酵母细胞的运动速度与电压梯度成正线性关系，即在皮牛量级以下，最大光阱力与光镊光源的功率成线性增加关系．测量结果表明，该方法可实现对细胞光阱力的测量，还可用来测量细胞表面电量．     

Microfluidic sorting in an optical lattice

The response of a microscopic dielectric object to an applied light field can profoundly affect its kinetic motion. A classic example of this is an optical trap, which can hold a particle in a tightly focused light beam. Optical fields can also be used to arrange, guide or deflect particles in appropriate light-field geometries. Here we demonstrate an optical sorter for microscopic particles that exploits the interaction of particles-biological or otherwise-with an extended, interlinked, dynamically reconfigurable, three-dimensional optical lattice. The strength of this interaction with the lattice sites depends on the optical polarizability of the particles, giving tunable selection criteria. We demonstrate both sorting by size (of protein microcapsule drug delivery agents) and sorting by refractive index (of other colloidal particle streams). The sorting efficiency of this method approaches 100%, with values of 96% or more observed even for concentrated solutions with throughputs exceeding those reported for fluorescence-activated cell sorting. This powerful, non-invasive technique is suited to sorting and fractionation within integrated ('lab-on-a-chip') microfluidic systems, and can be applied in colloidal, molecular and biological research.     

无衍射光束自重建的两种方法

利用透镜聚焦法与障碍物重建法实现无衍射光束的自重建,对无衍射光束自重建的传播特性及其光强分布变化进行数值模拟.结果表明,利用聚焦透镜与障碍物都可以使无衍射光重建,但重建后的无衍射光束的中心光斑的光强都较重建前弱,且光斑半径较大,亮环也较稀疏.利用聚焦透镜实现重建,只要加另一透镜进行矫正,便可得到光束质量非常好的无衍射光,且无衍射距离较重建前更长.利用Bessel光经障碍物重建,无需借助额外的实验装置,便可方便地对粒子进行捕获,而且重建后的无衍射光经过障碍物可再重建.