非傍轴矢量高斯光束

对傍轴近似下的光束传输变换问题进行了广泛的研究.但是,当光束有大的发散角或与波长相比拟的小光斑尺寸时,傍轴近似不再成立.已发展了多种非傍轴方法用以研究非傍轴光束的传输问题.对非傍轴光束的研究方法作了总结,使用角谱表示法和瑞利衍射积分公式对非傍轴矢量高斯光束的传输作了分析和比较.结果表明,基于瑞利衍射积分公式推导出的非傍轴矢量高斯光束在自由空间传输的解析公式在传输距离远大于波长时是严格的解析结果,并且在有光阑的情况下也是适用的.光束的非傍轴性主要由f参数决定,但当有光阑存在时,截断参数也对光束非傍轴行为产生影响.     

非傍轴部分相干修正贝塞尔-高斯光束的传输

利用广义瑞利衍射积分公式和部分相干光理论,推导了任意阶非傍轴部分相干修正贝塞尔-高斯光束在自由空间传输的解析表达式.作为特例,给出了非傍轴部分相干修正贝塞尔-高斯光束的远场公式和傍轴部分相干修正贝塞尔-高斯光束的传输方程.数值计算和分析表明,f参数对光束的非傍轴特性有重要影响,此外,相干度也影响部分相于修正贝塞尔-高斯光束的非傍轴行为.     

一维会聚非傍轴高斯光束焦线附近的光场特性

傍轴近似常被用于光束传输理论的表达,数值计算常被用于非傍轴光束的传输特性分析。为了使一维会聚非傍轴高斯光束的传输特性更加简明,本文基于倾斜因子由观察方倾斜角余弦平方根表达的非傍轴衍射积分公式,给出了符合行波场辐射能守恒定律的一维会聚非傍轴高斯光束的焦平面光场分布表达,同时给出了焦点附近一维会聚非傍轴高斯光束的轴上点光强和相位特性表达。当一维会聚非傍轴高斯光束的最大倾斜角远大于高斯光束的远场发散角时,合理的观察方倾斜因子可将高斯光束传输特性从傍轴领域延拓到非傍轴领域。本文阐明了一维会聚非傍轴高斯光束的传输特性,并验证了用观察方倾斜角余弦平方根表达观察方倾斜因子的合理性。     

洛伦兹-高斯光束的传输特性

洛伦兹-高斯光束是用于描述某些发散程度较大的激光光源而引入的,在源平面上的q参数趋向于无穷的条件下,洛伦兹-高斯光束退化为洛伦兹光束.基于柯林斯积分公式,导出了洛伦兹一高斯光束经傍轴abcd光学系统的解析传输公式,进行了相关的数值计箅以揭示其傍轴传输特性.基于矢量瑞利-索末菲衍射积分公式,导出了矢量洛伦兹-高斯光束非傍轴条件下的解析传输公式,进行了相应的数值计算;作为一般公式的特例,给出了相应的远场表达式和傍轴结果.     

非傍轴双曲余弦高斯光束质量因子的研究

运用非傍轴标量光束的光强二阶矩理论,计算了非傍轴双曲余弦高斯光束的束腰半径、远场发散角、质量因子,并与傍轴双曲余弦高斯光束的质量因子进行了比较研究。数值计算表明:当双曲余弦高斯光束束腰半径较大时,傍轴与非傍轴理论计算的光束质量因子变化规律完全相同;束腰半径较小时,傍轴理论的计算结果有较大误差。     

非傍轴双曲正弦高斯光束质量因子M2的研究

在标量光场角谱衍射理论的基础上,应用精确光强定义下的非傍轴标量光束的光强二阶矩理论,计算了非傍轴双曲正弦高斯光束的束腰半径、远场发散角、质量因子,并与傍轴双曲正弦高斯光束的质量因子进行了比较研究。数值计算表明,当双曲正弦高斯光束束腰半径较大时,传统光强定义下的光强二阶矩理论近似成立,傍轴与非傍轴理论计算的光束质量因子变化规律完全相同;束腰半径较小时,傍轴理论计算的结果有较大误差,必须采用精确光强定义下的非傍轴光束质量因子的定义作修正。     

TE矢量高斯光束的二阶矩传输

运用光束传输的非傍轴矢量矩理论,对TE矢量高斯光束的传输进行了研究,给出了束腰、横向发散角和光 束传输因子的积分表达式。基于能流二阶矩定义的横向光束宽度在传输过程中服从简单的双曲线变化规律。数 值计算表明,在高度非傍轴情形下,由于TE偏振导致两个横向存在不同的光束传输特性,且最大的横向发散度超 过了非傍轴标量高斯光束的发散度极限63.43°,接近于90°,这与波动光学理论相符合,其中x方向上的发散度略 比y方向上的大。而对于傍轴情形,在非傍轴标量高斯光束傍轴化条件下,TE矢量高斯光束的传输可简化为横基 模傍轴标量高斯光束,稍有区别的是其光束传输因子始终保持略大于1,且永远不能精确地等于1。     

非傍轴衍射光束的传输特性

基于小衍射源和衍射远场的特点,简化了瑞利-索末菲标量衍射积分公式,并应用于分析非傍轴衍射光束的衍射远场总功率和光束传输因子特性。由于物理概念上的空间频谱的定义域局限在一定范围,基于此计算的非傍轴衍射光束的衍射远场总功率不满足能量守恒定律,基于此计算的非傍轴衍射光束的光束传输因子也与常识不符。当采用数学概念上的空间频谱分析上述特性时,两个符合常识的规律被重提,并以非傍轴基模高斯光束衍射远场总功率和光束传输因子的相对计算误差说明上述结论。     

矢量非傍轴厄米余弦高斯光束

引入了矢量非傍轴厄米余弦高斯(HCosG)光束的概念,从矢量瑞利 - 索末菲衍射积分公式出发,得出了矢量非傍轴HCosG光束在自由空间的解析传输公式,并将非傍轴HCosG光束在自由空间衍射时轴上、近场、远场以及在傍轴条件下的传输作为特例给出.数值计算和分析表明,对于矢量非傍轴HCosG光束,参数和偏心参数均对光束的非傍轴特性有重要影响.此外,其轴上光强分布与光束的阶数及其奇偶性有关.     

非傍轴矢量离轴椭圆高斯光束的矩孔衍射

根据矢量瑞利衍射积分公式,对非傍轴矢量离轴椭圆高斯光束的矩孔衍射进行了系统的研究,给出了矩孔衍射的解析表达式,并将非傍轴矢量离轴椭圆高斯光束矩孔衍射轴上、近场、远场和单缝衍射光场分布,非傍轴离轴矢量高斯光束以及非傍轴矢量高斯光束的自由空间传输作为特例统一于一般表达式中,研究表明,在矩孔衍射中,f参数,截断参数以及相对离轴参数共同决定着光束的非傍轴行为.     

聚焦部分相干平顶涡旋光束对瑞利粒子的捕获

基于广义惠更斯-菲涅尔原理和瑞利散射理论,推导了聚焦部分相干平顶涡旋(partially coherent flat-topped vortex, PCFTV)光束作用在瑞利微粒上辐射力的表达式,主要研究聚焦PCFTV光束对不同折射率的两种粒子的捕获情况。研究结果表明,聚焦PCFTV光束可以在焦点处捕获高折射率和低折射率的粒子。随着光束阶数的增大以及相关长度的减小,光束对微粒的捕获能力增强。所得结果对PCFTV光束应用于光学操控具有一定的意义。     

Optical trapping of metallic Rayleigh particle by combined beam

Radiation forces and trapping stability of metallic(i.e.gold) Rayleigh particle by combined beam are analyzed,and the combined beam is formed by superimposing two partially coherent off-axis flat-topped beams.The dependences of radiation forces on off-axis distance parameter,correlation length and particle radius are illustrated by numerical examples.The results show that there exist critical values d0,cand σ0,c for the combined beam.For 0相似文献   

初级球差对径向偏振光轴向光阱力的影响

根据里查德沃耳夫矢量积分理论,研究了在径向偏振光经大数值孔径聚焦下,透镜球差对瑞利粒子轴向光阱力的影响。通过数值计算得到了轴向光阱力随球差系数变化的分布。研究结果表明,球差系数的存在,不仅改变了光阱力的数值大小,也影响了对粒子束缚的有效作用区域,还导致光阱中心位置发生偏移。而且正负球差系数对光阱力的影响并不总是对称的,正球差系数使得梯度力的0点位置往z轴正向偏移,负球差系数使得梯度力的0点位置往z轴负向偏移。在不同的数值孔径、粒子半径以及孔径与光腰的比值下,球差对光阱力的影响程度也不同。     

Analysis of radiation forces in laser trapping and laser-guideddirect writing applications

Radiation forces allow the remote manipulation of physical objects. Two radiation force-based systems have been used, in particular: 1) laser trapping, which uses a strongly convergent beam to form a micrometer-sized focal point in which particles can be trapped and manipulated in three dimensions, and 2) laser guidance, which uses a weakly convergent beam to achieve radial confinement of particles about the beam axis coupled with pushing along the beam axis, which allows the high precision delivery of particles over hundreds of micrometers. Biological applications of laser trapping include high-precision molecular motor force measurement, and those of laser guidance include the direct writing of living cells in two and three dimensions for tissue engineering applications. The results presented here show that a general electromagnetic theory, the Generalized Lorenz-Mie Theory, is able to accurately predict experimental results for both schemes without any assumptions regarding the size of the particle relative to the wavelength of the radiation. In addition, radial forces are found to be directly correlated to the dimensionless particle size (a/w) where the particle radius (a) is normalized over the beam radius (w). The dimensionless particle size can be used to theoretically estimate radiation forces in any arbitrary setup, and facilitate the design of radiation force-based systems for a variety of applications in biology and medicine     

光场力的电磁理论分析

利用经典电磁理论导出光场中线性动量的守恒定律,并获得光散射力和梯度力的一般表达式,进而解释光场辐射压及尺寸远小于光波长的任意形状的生物微粒子在激光光场中所受的散射力和梯度力.理论分析表明光散射力是由于偶极子散射导致电磁波动量变化产生,而梯度力为作用在感应偶极子上的洛伦兹力,激光对微粒的作用力与光束束腰半径、粒子的大小、粒子及周围媒质的折射率和激光功率等系统参数的有关.     

环形光对光阱有效捕获力的提高

定义了光阱的有效捕获力 ,然后在几何光学范围内计算了环形光束形成的光阱———空心光阱的有效捕获力 ,并把空心光阱与实心光阱产生的光阱有效捕获力作了比较。数值计算结果得到空心光阱的有效捕获力大大提高 ,光阱的稳定性也随之提高 ;而且空心光阱对捕获对象的热损伤效应相应减小。     

聚焦厄米-高斯光束对两种粒子的捕获

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和瑞利散射理论, 推导了聚焦厄米-高斯光束的光强和作用在瑞利微粒上辐射力 的解析表达式,主要研究聚焦厄米-高斯光束对折射率不同的两种粒子的俘获情况,以及光 束阶数m和n对俘获效果 的影响。研究发现,聚焦厄米-高斯光束在焦平面上呈现出矩形阵列分布的(m +1)×(n+1)个亮斑,这种光束选取合适的 光束阶数可以实现在亮斑处阵列分布的捕获(m+1)×(n+1)个高折射率粒子,同时在暗区俘获 m ×(n+1)个低折射率粒子。 此外,光束阶数越大,辐射力越大,越容易俘获两种类型粒子。因此,选择合适的光束阶数 ,可以实现两种不同折 射率的瑞利微粒的稳定捕获。所得结果可以应用在生物技术和纳米技术等领域。