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1、第24卷第3期物理学进展Vol.24,No.32004年9月PROGRESSINPHYSICSSept.,2004文章编号:1000O0542(2004)03O0336O45空心光束的产生及其在现代光学中的应用1,2212印建平,刘南春,夏勇,恽(1.光谱学与波谱学教育部重点实验室,华东师范大学物理系,上海2000622.苏州大学物理系,苏州215006)摘要:近年来,随着激光应用技术的发展,各种中心强度为零的激光束被相继产生,并正在形成一个新颖的所谓空心光束(也称暗中空光束)的大家族。作为激光导管、光学镊子(光钳)和光学扳手,空心光束在微观粒子
2、(如微米粒子、纳米粒子、自由电子、生物细胞和原子或分子等)的精确、无接触操纵和控制中有着广泛的应用。本文将首先给出空心光束的定义及其参数,并详细介绍各种空心光束产生的基本原理、方法及其实验结果。其次,就空心光束的分类及其应用场合进行了简单归纳与讨论。最后就空心光束在微观粒子(包括微米粒子、纳米粒子、生物细胞和自由电子等)的光学囚禁与操控中的应用进行简要综述,并就空心光束的产生与应用及其未来研究与应用前景进行了简短总结与展望。关键词:激光;空心光束;综述;激光导管;光学囚禁(光学镊子/光钳);光学扳手中图分类号:O4文献标识码:A0引言近年来,随着
3、激光技术的发展及其应用领域的拓展,人们采用各种方法产生了一系列具有中心光强为零的新颖激光束:如拉盖尔O高斯光束、高阶贝塞尔光束,面包圈空心光束和LP01模输出空心光束等,形成了一个特殊的称之为空心激光束(HLB)的光束大家[1]族。由于空心光束具有一系列新颖独特的物理性质:如桶状强度分布、较小的暗斑尺寸(DSS)和传播不变性,并且具有自旋与轨道角动量等,空心光束作为激光导管、光学镊子(光钳)和光学扳手,目前已成为实现微观粒子(如微米粒子、纳米粒子和生物细胞等)精确操纵和控制的有力工具。因此,空心光束在激光光学、二元光学、计算全息、微观粒子的光学囚
4、禁、材料科学、生物医学等方面有着广泛的应用前景。自90年代以来,人们采用诸如横模选择法、几何光学法、模式变换法、光学全息法、计收稿日期:2004O02O19基金项目:国家自然科学基金(编号:69878019和10174050);江苏省自然科学基金(编号:DK97139和00KJB140001);江苏省教育厅新世纪学术带头人培养基金和上海市重点学科及教育部211专项基金资助3期邱建平等:空心光束的产生及其在现代光学中的应用337算全息法、中空光纤法和P位相板法等各种方法产生了各种不同的空心光束,并得到了一些很好的实验结果。与此同时,其他一些研究小组
5、开展了空心光束在微观粒子的激光囚禁与操控等实验中的应用研究。为此,本文将就/空心光束的产生及其在现代光学中的应用0作一系统介绍与综述,希望起到抛砖引玉的作用。在本文第二节中,我们将首先给出空心光束的定义及其参数;在第三节中将详细介绍各种空心光束产生的基本原理、实验方案及其实验结果;在第四节中将简单介绍空心光束的分类及其应用场合;在第五节中将简要综述空心光束在现代光学中的应用。在最后一节中,我们将简单总结一下本文的主要结论,并就空心光束的进一步研究及其应用前景进行简短展望。1空心光束的定义及其参数空心激光束(HollowLaserBeam,HLB)
6、,顾名思义,是一种在传播方向上中心光强为[1]零的环状光束。换句话说,轴向光强为零的光束称为/空心光束0或/暗中空光束0,其光束截面及其径向强度分布如图1所示。为了描述或比较各类不同的空心光束,除了一些诸如激光频率vL,激光功率P0和光束发散角A等激光束的一般参数外,有必要定义几个表征空心光束径向强度分布特征的特殊参数。这些光束参数可分别定义如下:(1)暗斑尺寸(DSS):如图1所示,DSS被定义为空心光束凹口内侧径向强度分布的半高宽度(FWHM);(2)光束宽度(WDHB):WDHB被定义为空心光束凹口2外侧径向强度分布的最大值的1/e处的全宽
7、度;(3)光束半径(r0):如图1所示,被定义为最大径向强度位置和光束中心之间的距离;(4)环状光束宽度(Wr):Wr被定义为半个径向强度2分布中,光强最大值的两个1/e处之间的全宽度,也即:Wr=WDHB-2r0(1)(5)宽度半径比(WRR):如图1所示,宽度半径比被定义为环状光束宽度Wr与光束半径r0之比,也就是:WRR=Wr/r0=WDHB/r0-2(2)此外,还有两个在一些实验或应用中非常有用的参[2]数,它们的定义如下:图1空心光束的横截面及其径(1)最小强度处的归一化曲率2向强度分布15IC=2(3)I05rr=r0这里r0是半径r
8、方向上光强梯度为最小值的位置,即有(5I/5r)r=r=0,I0是空心光束0的相对强度。(2)空心光束凹口内描述径向强度分布弯曲点的归一
