新方法利用紧凑型平面透镜系统产生非衍射瓶状光束

大多数激光源产生的高斯光束在传播过程中会发生发散。这种自然扩散特性限制了其在需要光束长距离保持集中的应用中的有效性。为了克服这一挑战，人们开发了结构光光束，其振幅、相位和偏振均可精确调控。

其中一类是贝塞尔光束，它通过激光束在空间传播时的自干涉产生。然而，理想的贝塞尔光束具有复杂的环状结构，这给实际应用带来了不便。此外，现有的用于生成高级光束形状（如光学瓶状光束）的方法通常需要复杂且昂贵的装置，且必须进行精确对准。

如今，日本千叶大学的研究人员开发出了一种简单且紧凑的方法，能够生成一种在自由空间传播时保持非衍射特性的激光链状光束。

从高斯光束到光笼

在该系统中，高斯光束首先通过二元轴锥镜转换为改进的零阶贝塞尔光束。这种旁瓣被抑制的改进贝塞尔光束随后通过平面多级衍射透镜（MDL）聚焦，形成边界清晰、高质量的光学瓶状光束。

该研究由千叶大学分子手性研究中心的助理教授 Andra Naresh Kumar Reddy 领导，他同时任职于印度 Quantlight and High Harmonics Lab Pvt. Ltd.。相关论文发表于 ACS Photonics。

Reddy 博士表示：“我们的实验研究引入了一种新颖、高效的方法，可在自由空间中长距离产生高质量、微米级且保持非衍射特性的光学瓶状光束，为推进光学应用和光与物质相互作用提供了显著优势。”

瓶状光束如何成形

光学瓶状光束包含一系列被亮区包围的暗区，形成一种“光笼”，能够捕获和操控粒子与原子。在所提出的方法中，高斯光束首先被二元轴锥镜整形为贝塞尔光束。然后，该贝塞尔光束被导向多级衍射透镜，在透镜中受到紧密聚焦，并在自由空间中动态重塑。

当光束通过多级衍射透镜传播时，由于受控的纵向干涉，其路径上会交替形成亮区和暗区。这些区域逐渐结合，形成一个高质量的三维光学瓶状光束。

这一过程始于距离透镜约 20 厘米的工作距离处，并在自由空间中长距离保持不变，表现出强烈的非衍射和自愈合特性。

多级衍射透镜内部结构

多级衍射透镜由宽度为 7 微米、高度在 0 至 1.7 微米之间的同心环组成。采用逆向设计方法，这种平面透镜将其功能精确地施加于入射光上，从而将入射的贝塞尔光束转换为传播不变的、具有清晰亮暗区域的光学瓶状光束。

与传统透镜相比，基于多级衍射透镜的方法能够对输出光束的聚焦效率和衍射效率进行优化控制。这种实验方法可结合超快激光器实现，通过强的非微扰光与物质相互作用，产生光学瓶状光束的高次谐波。

通过将紧凑设计、精确光束控制和长传播距离相结合，这项工作为产生非衍射光学瓶状光束提供了一种实用且可扩展的方法，推动了下一代光学与光子学技术的发展。

Reddy 博士说：“本研究报告的实验结果对于实时应用具有潜在价值，例如随机介质中的高分辨率生物成像、粒子捕获或操控、微细加工，以及驱动高次谐波产生过程。”

相关链接：https://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.5c02547