Бесселева балка - Bessel beam

Эволюция бесселевого пучка.
Схема аксикон и результирующий пучок Бесселя
Поперечное сечение пучка Бесселя и график интенсивности
Луч Бесселя восстанавливает центральную светлую область после препятствия

А Бесселева балка - волна, амплитуда которой описывается Функция Бесселя первого рода.[1][2][3] Электромагнитный, акустический, гравитационный, и иметь значение все волны могут иметь форму бесселевых лучей. Истинный бесселев пучок не дифракционный. Это означает, что по мере распространения он не преломлять и разложить; это контрастирует с обычным поведением света (или звука), который распространяется после фокусировки в небольшом пятне. Бесселевы балки также самоисцеление, что означает, что луч может быть частично заблокирован в одной точке, но будет преобразован в точке ниже по ось луча.

Как и в случае с плоская волна, настоящий бесселев пучок не может быть создан, так как он неограничен и потребует бесконечного количества энергия. Однако можно сделать достаточно хорошие приближения, а они важны во многих случаях. оптический приложений, потому что они демонстрируют небольшую дифракцию или вообще не имеют ее на ограниченном расстоянии. На практике приближения к бесселевым пучкам производятся либо путем фокусировки Гауссов пучок с аксикон линзы для генерации пучка Бесселя – Гаусса, используя осесимметричный дифракционные решетки,[4] или поставив узкую кольцевой отверстие в дальнее поле.[3] Лучи Бесселя высокого порядка могут быть созданы с помощью спиральные дифракционные решетки.[5]

Характеристики

Свойства балок Бесселя[6][7] сделать их чрезвычайно полезными для оптическое выщипывание, поскольку узкий бесселев пучок будет сохранять необходимое свойство точной фокусировки на относительно длинном участке пучка и даже при частичном окклюзия выщипыванием диэлектрических частиц. Точно так же было достигнуто управление частицами с помощью акустического пинцета.[8] [9]с пучком Бесселя, который рассеивает[10][11][12][13] и производит радиационная сила в результате обмена акустическим импульсом между волновым полем и частицей, помещенной на его пути.[14][15][16][17][18][19][20][21][22]

В математический функция, описывающая пучок Бесселя, является решением Дифференциальное уравнение Бесселя, которое само возникает из разделимых решений Уравнение Лапласа и Уравнение Гельмгольца в цилиндрических координатах. Основной пучок Бесселя нулевого порядка имеет максимум амплитуды в начале координат, в то время как пучок Бесселя высокого порядка (HOBB) имеет осевую сингулярность фазы вдоль оси пучка; там амплитуда нулевая. БОБ могут быть вихревого (геликоидального) или невихревого типа.[23]

X-волны представляют собой специальные суперпозиции бесселевых лучей, движущихся с постоянной скорость, и может превышать скорость света.[24]

Балки Матье и параболические балки (Вебера)[25] - это другие типы недифракционных пучков, которые обладают такими же недифракционными и самовосстанавливающимися свойствами, что и пучки Бесселя, но с другой поперечной структурой.

Ускорение

В 2012 году было теоретически доказано[26] и экспериментально продемонстрировано[27] что с помощью специальной манипуляции с их начальной фазой пучки Бесселя могут ускоряться по произвольным траекториям в свободном пространстве. Эти пучки можно рассматривать как гибриды, сочетающие симметричный профиль стандартной бесселевой балки со свойством самоускорения Воздушный луч и его аналоги. Предыдущие попытки создания ускоряющих бесселевых пучков включали пучки со спиральной[28] и синусоидальный[29] траектории, а также раннее усилие для балок с кусочно-прямыми траекториями.[30]

Затухание-компенсация

При прохождении через материалы лучи могут испытывать потери, что приведет к ослаблению интенсивности луча. Свойство, общее для недифрагирующих (или не зависящих от распространения) лучей, таких как Воздушный луч и луч Бесселя, это способность управлять продольной огибающей интенсивности луча без значительного изменения других характеристик луча. Это можно использовать для создания пучков Бесселя, интенсивность которых возрастает по мере продвижения, и можно использовать для противодействия потерям, таким образом поддерживая луч постоянной интенсивности при его распространении.[31][32]

Приложения

Визуализация и микроскопия

В световая флуоресцентная микроскопия недифрагирующие (или инвариантные к распространению) лучи использовались для получения очень длинных и однородных световых листов, которые не меняют значительно размер по своей длине. Также было показано, что свойство самовосстановления бесселевых лучей дает улучшенное качество изображения на глубине, поскольку форма луча меньше искажается после прохождения через рассеивающую ткань, чем у гауссова луча. Световая микроскопия на основе пучка Бесселя была впервые продемонстрирована в 2010 году.[33] но с тех пор последовало множество вариаций. В 2018 году было показано, что использование компенсации затухания может быть применено к световой микроскопии на основе пучка Бесселя и может обеспечить получение изображений на большей глубине в биологических образцах.[34]

Акустофлюидика

Лучи Бесселя являются хорошим кандидатом для выборочного захвата из-за концентрических кругов максимума и минимума давления в поперечных плоскостях.

Рекомендации

  1. ^ Гарсес-Чавес, В .; McGloin, D .; Melville, H .; Sibbett, W .; Дхолакия, К. (2002). «Одновременная микроманипуляция в нескольких плоскостях с использованием самовосстанавливающегося светового луча». Природа. 419 (6903): 145–7. Bibcode:2002Натура 419..145Г. Дои:10.1038 / природа01007. PMID  12226659. S2CID  4426776.
  2. ^ McGloin, D .; Дхолакия, К. (2005). «Лучи Бесселя: дифракция в новом свете». Современная физика. 46 (1): 15–28. Bibcode:2005ConPh..46 ... 15M. Дои:10.1080/0010751042000275259. S2CID  31363603.
  3. ^ а б Дурнин, Дж. (1987). «Бездифракционные пучки». Письма с физическими проверками. 58 (15): 1499–1501. Bibcode:1987ПхРвЛ..58.1499Д. Дои:10.1103 / PhysRevLett.58.1499. PMID  10034453.
  4. ^ Jiménez, N .; и другие. (2014). «Формирование акустического бесселевского пучка осесимметричной решеткой». Письма еврофизики. 106 (2): 24005. arXiv:1401.6769. Bibcode:2014EL .... 10624005J. Дои:10.1209/0295-5075/106/24005. S2CID  55703345.
  5. ^ Jiménez, N .; и другие. (2016). «Формирование акустических бесселевых пучков высокого порядка с помощью спиральных дифракционных решеток». Физический обзор E. 94 (5): 053004. arXiv:1604.08353. Bibcode:2016PhRvE..94e3004J. Дои:10.1103 / PhysRevE.94.053004. PMID  27967159. S2CID  27190492.
  6. ^ Fahrbach, F. O .; Саймон, П .; Рорбах, А. (2010). «Микроскопия с самовосстанавливающимися лучами». Природа Фотоника. 4 (11): 780–785. Bibcode:2010НаФо ... 4..780F. Дои:10.1038 / nphoton.2010.204.
  7. ^ Митри, Ф. Г. (2011). «Произвольное рассеяние электромагнитного бесселевого пучка нулевого порядка на диэлектрической сфере». Письма об оптике. 36 (5): 766–8. Bibcode:2011OptL ... 36..766M. Дои:10.1364 / OL.36.000766. PMID  21368976.
  8. ^ Хилл, М. (2016). «Точка зрения: односторонний взгляд на акустические ловушки». Физика. 9 (3). Дои:10.1103 / Физика.9.3.
  9. ^ Д. Бареш, Дж. Л. Томас и Р. Марчиано, Физические обзоры, 2016, 116 (2), 024301.
  10. ^ Марстон, П. Л. (2007). «Рассеяние бесселевого пучка на сфере». Журнал акустического общества Америки. 121 (2): 753–758. Bibcode:2007ASAJ..121..753M. Дои:10.1121/1.2404931. PMID  17348499.
  11. ^ Сильва, Г. Т. (2011). «Внеосевое рассеяние ультразвукового пучка на сфере». Протоколы IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрикам и контролю частоты. 58 (2): 298–304. Дои:10.1109 / TUFFC.2011.1807. PMID  21342815. S2CID  38969143.
  12. ^ Mitri, F. G .; Сильва, Г. Т. (2011). "Внеаксиальное акустическое рассеяние бесселевского вихревого пучка высокого порядка на жесткой сфере". Волновое движение. 48 (5): 392–400. Дои:10.1016 / j.wavemoti.2011.02.001.
  13. ^ Gong, Z .; Marston, P.L .; Li, W .; Чай, Ю. (2017). «Многополюсное расширение акустических бесселевых лучей произвольного порядка и расположения». Журнал акустического общества Америки. 141 (6): EL574 – EL578. Дои:10.1121/1.4985586. PMID  28679251.
  14. ^ Митри, Ф. Г. (2008). «Сила акустического излучения на сфере в стоячем и квазипостоянном пинцете Бесселя нулевого порядка». Анналы физики. 323 (7): 1604–1620. Bibcode:2008AnPhy.323.1604M. Дои:10.1016 / j.aop.2008.01.011.
  15. ^ Mitri, F. G .; Феллах, З. Э. А. (2008). «Теория акустической радиационной силы, действующей на сферу с помощью стоячего и квазистационарного пинцета Бесселя нулевого порядка с переменным углом полуконуса». Протоколы IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрикам и контролю частоты. 55 (11): 2469–2478. Дои:10.1109 / TUFFC.954. PMID  19049926. S2CID  33064887.
  16. ^ Митри, Ф. Г. (2009). «Акустическая радиационная сила Ланжевена бесселевого пучка высокого порядка на жесткой сфере». Протоколы IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрикам и контролю частоты. 56 (5): 1059–1064. Дои:10.1109 / TUFFC.2009.1139. PMID  19473924. S2CID  33955993.
  17. ^ Митри, Ф. Г. (2009). «Сила акустического излучения на воздушный пузырь и мягкие жидкие сферы в идеальных жидкостях: пример пучка Бесселя высокого порядка квазистационарных волн». Европейский физический журнал E. 28 (4): 469–478. Bibcode:2009EPJE ... 28..469M. Дои:10.1140 / epje / i2009-10449-y. PMID  19408023. S2CID  12972708.
  18. ^ Митри, Ф. Г. (2009). «Отрицательная осевая радиационная сила на жидкие и упругие сферы, освещенные бесселевым пучком прогрессивных волн высокого порядка». Журнал физики А. 42 (24): 245202. Bibcode:2009JPhA ... 42x5202M. Дои:10.1088/1751-8113/42/24/245202.
  19. ^ Митри, Ф. Г. (2008). «Акустическое рассеяние бесселевого пучка высокого порядка на упругой сфере». Анналы физики. 323 (11): 2840–2850. Bibcode:2008AnPhy.323.2840M. Дои:10.1016 / j.aop.2008.06.008.
  20. ^ Митри, Ф. Г. (2009). «Эквивалентность выражений для акустического рассеяния прогрессивного бесселевого пучка высокого порядка на упругой сфере». Протоколы IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрикам и контролю частоты. 56 (5): 1100–1103. Дои:10.1109 / TUFFC.2009.1143. PMID  19473927. S2CID  22404158.
  21. ^ Марстон, П. Л. (2006). «Осевая радиационная сила бесселевого пучка на сфере и изменение направления силы». Журнал акустического общества Америки. 120 (6): 3518–3524. Bibcode:2006ASAJ..120.3518M. Дои:10.1121/1.2361185. PMID  17225382.
  22. ^ Марстон, П. Л. (2009). «Радиационная сила геликоидального бесселевого пучка на сфере». Журнал акустического общества Америки. 125 (6): 3539–3547. Bibcode:2009ASAJ..125.3539M. Дои:10.1121/1.3119625. PMID  19507935.
  23. ^ Митри, Ф. Г. (2011). «Линейное осевое рассеяние акустического тригонометрического пучка Бесселя высокого порядка на сжимаемых мягких жидких сферах». Журнал прикладной физики. 109 (1): 014916–014916–5. Bibcode:2011JAP ... 109a4916M. Дои:10.1063/1.3518496.
  24. ^ Bowlan, P .; и другие. (2009). "Измерение пространственно-временного электрического поля сверхкоротких сверхсветовых импульсов Бесселя-X". Новости оптики и фотоники. 20 (12): 42. Bibcode:2009ОптПН..20 ... 42 млн. Дои:10.1364 / OPN.20.12.000042. S2CID  122056218.
  25. ^ Bandres, M. A .; Gutiérrez-Vega, J.C .; Чавес-Серда, С. (2004). «Параболические недифрагирующие поля оптических волн». Письма об оптике. 29 (1): 44–6. Bibcode:2004 ОптL ... 29 ... 44B. Дои:10.1364 / OL.29.000044. PMID  14719655.
  26. ^ Chremmos, I.D .; Чен, Z; Christodoulides, D. N .; Ефремидис, Н. К. (2012). «Бесселевские оптические пучки с произвольной траекторией» (PDF). Письма об оптике. 37 (23): 5003–5. Bibcode:2012OptL ... 37.5003C. Дои:10.1364 / OL.37.005003. PMID  23202118.
  27. ^ Juanying, Z .; и другие. (2013). «Наблюдение самоускоряющихся бесселевских оптических пучков по произвольным траекториям» (PDF). Письма об оптике. 38 (4): 498–500. Bibcode:2013OptL ... 38..498Z. Дои:10.1364 / OL.38.000498. PMID  23455115.
  28. ^ Jarutis, V .; Matijošius, A .; DiTrapani, P .; Пискарскас, А. (2009). «Спиральный бесселев пучок нулевого порядка». Письма об оптике. 34 (14): 2129–31. Bibcode:2009OptL ... 34.2129J. Дои:10.1364 / OL.34.002129. PMID  19823524.
  29. ^ Morris, J.E .; Čižmár, T .; Dalgarno, H. I.C .; Маркингтон, Р. Ф .; Gunn-Moore, F.J .; Дхолакия, К. (2010). «Реализация изогнутых бесселевых лучей: распространение вокруг препятствий». Журнал оптики. 12 (12): 124002. Bibcode:2010JOpt ... 12l4002M. Дои:10.1088/2040-8978/12/12/124002.
  30. ^ Rosen, J .; Ярив, А. (1995). «Змеиный луч: параксиальная произвольная фокальная линия». Письма об оптике. 20 (20): 2042–4. Bibcode:1995OptL ... 20.2042R. CiteSeerX  10.1.1.9.3156. Дои:10.1364 / OL.20.002042. PMID  19862244.
  31. ^ Замбони-Рахед, Мишель (23 августа 2004 г.). «Стационарные оптические волновые поля произвольной продольной формы путем наложения равных частот бесселевых лучей: замороженные волны». Оптика Экспресс. 12 (17): 4001–4006. arXiv:физика / 0407128. Bibcode:2004OExpr..12.4001Z. Дои:10.1364 / opex.12.004001. PMID  19483938. S2CID  14469395.
  32. ^ Чижмар, Томаш; Дхолакия, Кишан (31 августа 2009 г.). «Настраиваемые бесселевские световые моды: проектирование осевого распространения». Оптика Экспресс. 17 (18): 15558–15570. Bibcode:2009OExpr..1715558C. Дои:10.1364 / oe.17.015558. PMID  19724554.
  33. ^ Fahrbach, Florian O .; Симон, Филипп; Рорбах, Александр (2010). «Микроскопия с самовосстанавливающимися лучами». Природа Фотоника. 4 (11): 780–785. Bibcode:2010НаФо ... 4..780F. Дои:10.1038 / nphoton.2010.204.
  34. ^ Нилк, Джонатан; Маккласки, Кейли; Preciado, Miguel A .; Мазилу, Михаил; Ян, Чжэнъи; Ганн-Мур, Фрэнк Дж .; Аггарвал, Санья; Tello, Javier A .; Феррье, Дэвид Э. К. (2018-04-01). "Световая микроскопия с инвариантными относительно распространения пучками с компенсированным затуханием". Достижения науки. 4 (4): eaar4817. arXiv:1708.02612. Bibcode:2018SciA .... 4R4817N. Дои:10.1126 / sciadv.aar4817. ЧВК  5938225. PMID  29740614.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка