大多數(shù)激光源產(chǎn)生的高斯光束在傳播過程中會發(fā)生發(fā)散。這種自然擴(kuò)散特性限制了其在需要光束長距離保持集中的應(yīng)用中的有效性。為了克服這一挑戰(zhàn)，人們開發(fā)了結(jié)構(gòu)光光束，其振幅、相位和偏振均可精確調(diào)控。

其中一類是貝塞爾光束，它通過激光束在空間傳播時的自干涉產(chǎn)生。然而，理想的貝塞爾光束具有復(fù)雜的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，這給實(shí)際應(yīng)用帶來了不便。此外，現(xiàn)有的用于生成高級光束形狀(如光學(xué)瓶狀光束)的方法通常需要復(fù)雜且昂貴的裝置，且必須進(jìn)行精確對準(zhǔn)。

如今，日本千葉大學(xué)的研究人員開發(fā)出了一種簡單且緊湊的方法，能夠生成一種在自由空間傳播時保持非衍射特性的激光鏈狀光束。

從高斯光束到光籠

在該系統(tǒng)中，高斯光束首先通過二元軸錐鏡轉(zhuǎn)換為改進(jìn)的零階貝塞爾光束。這種旁瓣被抑制的改進(jìn)貝塞爾光束隨后通過平面多級衍射透鏡(MDL)聚焦，形成邊界清晰、高質(zhì)量的光學(xué)瓶狀光束。

該研究由千葉大學(xué)分子手性研究中心的助理教授 Andra Naresh Kumar Reddy 領(lǐng)導(dǎo)，他同時任職于印度 Quantlight and High Harmonics Lab Pvt. Ltd.。相關(guān)論文發(fā)表于 ACS Photonics。

Reddy 博士表示：“我們的實(shí)驗(yàn)研究引入了一種新穎、高效的方法，可在自由空間中長距離產(chǎn)生高質(zhì)量、微米級且保持非衍射特性的光學(xué)瓶狀光束，為推進(jìn)光學(xué)應(yīng)用和光與物質(zhì)相互作用提供了顯著優(yōu)勢。”

瓶狀光束如何成形

光學(xué)瓶狀光束包含一系列被亮區(qū)包圍的暗區(qū)，形成一種“光籠”，能夠捕獲和操控粒子與原子。在所提出的方法中，高斯光束首先被二元軸錐鏡整形為貝塞爾光束。然后，該貝塞爾光束被導(dǎo)向多級衍射透鏡，在透鏡中受到緊密聚焦，并在自由空間中動態(tài)重塑。

當(dāng)光束通過多級衍射透鏡傳播時，由于受控的縱向干涉，其路徑上會交替形成亮區(qū)和暗區(qū)。這些區(qū)域逐漸結(jié)合，形成一個高質(zhì)量的三維光學(xué)瓶狀光束。

這一過程始于距離透鏡約 20 厘米的工作距離處，并在自由空間中長距離保持不變，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非衍射和自愈合特性。

多級衍射透鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)

多級衍射透鏡由寬度為 7 微米、高度在 0 至 1.7 微米之間的同心環(huán)組成。采用逆向設(shè)計方法，這種平面透鏡將其功能精確地施加于入射光上，從而將入射的貝塞爾光束轉(zhuǎn)換為傳播不變的、具有清晰亮暗區(qū)域的光學(xué)瓶狀光束。

與傳統(tǒng)透鏡相比，基于多級衍射透鏡的方法能夠?qū)敵龉馐木劢剐屎脱苌湫蔬M(jìn)行優(yōu)化控制。這種實(shí)驗(yàn)方法可結(jié)合超快激光器實(shí)現(xiàn)，通過強(qiáng)的非微擾光與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生光學(xué)瓶狀光束的高次諧波。

通過將緊湊設(shè)計、精確光束控制和長傳播距離相結(jié)合，這項(xiàng)工作為產(chǎn)生非衍射光學(xué)瓶狀光束提供了一種實(shí)用且可擴(kuò)展的方法，推動了下一代光學(xué)與光子學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

Reddy 博士說：“本研究報告的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對于實(shí)時應(yīng)用具有潛在價值，例如隨機(jī)介質(zhì)中的高分辨率生物成像、粒子捕獲或操控、微細(xì)加工，以及驅(qū)動高次諧波產(chǎn)生過程。”

審核編輯 黃宇