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衍射光学元件(DOE)在科学研究方向的应用
发布时间:2020-04-03   点击次数:404次

衍射光学元件(DOE)在科学研究方向的应用

衍射光学元件(DOE)本质上是位相调控元件。其产生的特殊波前位相以及在特定像面上的强度分布,在实验室科研及工业应用开发中均有多方面的用途。高效率、高精度、灵活订制性能是DOE在这类应用中的显著特征。

STED 及超分辨显微
近年来,受激发射耗尽(Stimulated Emission Depletion, STED)显微作为一种高速度超分辨显微技术被广泛发展。STED采用激发光激发样品荧光,退激发光照射在特定区域上使得该区域荧光因受激辐射而耗尽,而尺度小于光学显微镜的未耗尽区域的荧光被探测,从而实现超越显微镜光学分辨率。
STED通过先后将两束重合的激光照射到样品点来实现。退激发光需要中间为零、环状分布的光强。通用的方法是采用DOE来实现环状分布,涡旋位相板是适合的产品,直接插入激光入射光路就能够在物镜焦面上形成环形光。其它可能适用产品包括用于3D成像的圆形p位相板。

 
图6.1 STED示例(左);一阶涡旋位相板构建的位相分布(右)

☛相关DOE产品:涡旋位相板;p 位相板
双光子荧光显微
与标准的共聚焦荧光显微类似,双光子荧光显微采用激光激发样品内的荧光标记物并探测荧光。不同的是,双光子荧光利用双光子吸收过程(同时吸收两个长波长光子)。长波长光子具备更长更低的散射,从而提升图像对比度;同时,长波长光子在组织内穿透深度更大,而且相对于短波长光子不易灭活样品。更进一步地,双光子吸收需要较高的功率密度,通常采用飞秒超快激光,可以通过控制光强来实现超过光学分辨率的小区域激发。
DOE分束器能够在物镜焦面上产生多个焦点,可以实现并行的多点双光子荧光。

 
图6.2 双光子荧光原理示意(左);多焦点结构(右)

☛相关DOE产品:分束器
贝塞尔光束
贝塞尔(Bessel)光束是在一定程度上对衍射“免疫”的独特光束 — 在传播过程中,在一定范围内它不会像通常的光因衍射而发散。这种光束由贝塞尔函数描述,它描绘了一种具备多环结构的截面分布。
聚焦后的贝塞尔光束具备比高斯光束长的多的焦深,但焦点处的强度更低。
典型的应用包括成像,以及在非线性过程中提升焦深。可通过衍射DOE来构建贝塞尔光束。

 
图6.3 高斯—贝塞尔转换及贝塞尔光束强度分布

☛相关DOE产品:衍射锥透镜,长焦深DOE
激光横模生成与转换
在很多应用中需要将激光基模(TEM00)转换成高阶高斯-厄密模式(振幅分布在笛卡尔坐标系中的x-y方向分离)或高斯-拉盖尔模式(轴对称模式,振幅分布由角座标描述)。
典型的应用包括流式细胞术,光通讯,生物细胞成像以及扫描应用。
p-位相板可将TEM00的高斯光斑转换成为高斯-厄密模式(可实现任意阶次),而涡旋位相板则可产生高斯-拉盖尔模式。

 
图6.4 高斯-厄密模式生成及p位相板

☛相关DOE产品:涡旋位相板;p-位相板
光镊与原子陷俘
光镊用光来操作小至单分子或原子的微观目标。一束激光,通常是高功率的近红外激光,通过高性能显微物镜,在目标平面内形成光斑。此光斑形成一个能够将目标保持在中心的“光阱”。
通常的应用包括生物医学,纳米颗粒等,用于控制或跟踪测量微观物体的运动。

 
图6.5 光镊(左);衍射锥镜构建的光斑(右)

☛相关DOE产品:衍射锥镜;涡旋位相板
艾利光束产生
艾利(Airy)光束具备不衍射的波前,在传播中光束不会扩散而且光线会弯曲。
艾利光束同时具有自由“加速”特性,当它传输时,路径弯曲形成抛物线。
理想艾利光束的截面表现出一定区域的主光斑强度分布,伴有系列旁瓣;随着光线传输到无穷远,亮度会渐次降低。典型应用包括小颗粒的操控,如微流体工程和细胞生物学。

 
图6.6 艾利光束的2维强度分布(左)和位相分布(右)

☛相关DOE产品:球面位相板
相干合束
相干合束的目的是将多束低功率激光合成一束高功率激光,同时保持高光束品质。相干合束技术可以获得远高于单台激光能提供的强度。
DOE分束器可以将高斯光束分成多束,每一束的横模保持原有状态,每一束的强度分配可根据需要设计。如果将DOE分束器逆向使用,多束激光沿分束器设计的出射角入射,则能够将多束激光合为一束出射,而且不改变其空间相干性。
这种合束方式还可以级联使用。
典型应用:定向能武器;激光反导;空间碎片清理。

 
图6.7 分束与合束

☛相关DOE产品:分束器
 流式细胞术
流式细胞术是一种广泛使用的技术,采用光照来分析在流体中流过的粒子的物理和化学特征。当标记的细胞经过光照时,其荧光标记物被激发到高能态;在跃迁回到低能态的过程中辐射波长略长的荧光,通过测量荧光就可测量细胞的尺寸和内在的成份和结构。
流式细胞术广泛使用在多方面的细胞生物学研究中,同时也是疾病诊断(尤其是癌症诊断)的例行手段以及基础临床研究手段。

 
图6.8 流式细胞术示意图(左);圆形平顶光斑(右)

☛相关DOE产品:一维多光束DOE(用于并行通道流式细胞术);平顶发生器

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