Besselův paprsek - Bessel beam

Vývoj Besselova paprsku.
Schéma axikon a výsledný Besselův paprsek
Průřez Besselovým paprskem a graf intenzity
Besselův paprsek znovu formuje centrální světlou oblast po překážce

A Besselův paprsek je vlna, jejíž amplituda je popsána a Besselova funkce prvního druhu.[1][2][3] Elektromagnetické, akustický, gravitační, a hmota vlny mohou být všechny ve formě Besselových paprsků. Skutečný Besselův paprsek je nedifrakční. To znamená, že jak se šíří, tak ne difrakce a rozložit se; to je v rozporu s obvyklým chováním světla (nebo zvuku), které se šíří po zaostření na malé místo. Besselovy paprsky jsou také samoléčení, což znamená, že paprsek může být částečně zablokován v jednom bodě, ale znovu se vytvoří v bodě dále dolů osa paprsku.

Stejně jako u rovinná vlna, skutečný Besselův paprsek nelze vytvořit, protože je neomezený a vyžadoval by nekonečné množství energie. Lze však učinit přiměřeně dobré aproximace, které jsou v mnoha případech důležité optický aplikace, protože vykazují malou nebo žádnou difrakci na omezenou vzdálenost. Aproximace Besselových paprsků se v praxi provádí buď zaostřením a Gaussův paprsek s axikon čočky pro generování Bessel-Gaussova paprsku pomocí osově souměrné difrakční mřížky,[4] nebo umístěním úzké prstencový clona v vzdálené pole.[3] Besselovy paprsky vysokého řádu lze generovat pomocí spirálové difrakční mřížky.[5]

Vlastnosti

Vlastnosti Besselových nosníků[6][7] aby byly nesmírně užitečné pro optické tweezing, protože úzký Besselův paprsek si udrží svou požadovanou vlastnost těsného zaostření na relativně dlouhém úseku paprsku, i když částečně uzavřený pomocí pinzety dielektrických částic. Podobně bylo dosaženo manipulace s částicemi pomocí akustické pinzety[8] [9]s Besselovým paprskem, který se rozptyluje[10][11][12][13] a vyrábí a radiační síla vyplývající z výměny akustické hybnosti mezi vlnovým polem a částicí umístěnou podél jeho dráhy.[14][15][16][17][18][19][20][21][22]

The matematický funkce, která popisuje Besselův paprsek, je řešením Besselova diferenciální rovnice, který sám vychází z oddělitelných řešení do Laplaceova rovnice a Helmholtzova rovnice ve válcových souřadnicích. Základní Besselův paprsek nulového řádu má na počátku maximální amplitudu, zatímco Besselův paprsek vysokého řádu (HOBB) má axiální fázovou singularitu podél osy paprsku; amplituda je tam nulová. HOBB mohou být vířivých (spirálovitých) nebo nevortexových typů.[23]

X-vlny jsou speciální superpozice Besselových paprsků, které se pohybují konstantní rychlost, a může překročit rychlost světla.[24]

Mathieuovy paprsky a parabolické (Weberovy) paprsky[25] jsou další typy nedifrakčních paprsků, které mají stejné nedifrakční a samoléčebné vlastnosti Besselových paprsků, ale různé příčné struktury.

Akcelerace

V roce 2012 to bylo teoreticky prokázáno[26] a experimentálně prokázáno[27] že se speciální manipulací s jejich počáteční fází lze Besselovy paprsky zrychlit podél libovolných trajektorií ve volném prostoru. Tyto paprsky lze považovat za hybridy, které kombinují symetrický profil standardního Besselova paprsku se samovolnou akcelerací Vzdušný paprsek a jeho protějšky. Předchozí snahy o výrobu zrychlujících Besselových paprsků zahrnovaly paprsky se šroubovicovými[28] a sinusový[29] trajektorie, stejně jako počáteční úsilí pro paprsky s přímými trajektoriemi po částech.[30]

Útlum-kompenzace

Paprsky se mohou při procházení materiály setkat se ztrátami, které způsobí útlum intenzity paprsku. Vlastnost společná nedifrakčním (nebo šířením invariantním) paprskům, například Vzdušný paprsek a Besselův paprsek, je schopnost řídit podélnou obálku intenzity paprsku bez významné změny dalších charakteristik paprsku. To lze použít k vytvoření Besselových paprsků, které rostou na intenzitě, jak cestují, a lze je použít k vyrovnání ztrát, čímž se udržuje paprsek konstantní intenzity při jeho šíření.[31][32]

Aplikace

Zobrazování a mikroskopie

v světelná fluorescenční mikroskopie, nedifrakční (nebo šíření invariantní) paprsky byly použity k výrobě velmi dlouhých a rovnoměrných světelných listů, které po své délce významně nemění velikost. Ukázalo se také, že samoléčebná vlastnost Besselových paprsků poskytuje lepší kvalitu obrazu v hloubce, protože tvar paprsku je po cestě rozptylující se tkání méně zkreslený než Gaussův paprsek. Mikroskopie světelných desek na bázi Besselova paprsku byla poprvé představena v roce 2010[33] ale od té doby následovalo mnoho variací. V roce 2018 se ukázalo, že použití kompenzace útlumu lze použít na mikroskopii světelných listů založenou na Besselově paprsku a může umožnit zobrazování ve větších hloubkách v biologických vzorcích.[34]

Akustofluidika

Besselovy paprsky jsou dobrým kandidátem na selektivní zachycování kvůli soustředným kruhům maxima a minima tlaku v příčných rovinách.

Reference

  1. ^ Garcés-Chávez, V .; McGloin, D .; Melville, H .; Sibbett, W .; Dholakia, K. (2002). "Simultánní mikromanipulace ve více rovinách pomocí samočinně se rekonstruujícího světelného paprsku". Příroda. 419 (6903): 145–7. Bibcode:2002 Natur.419..145G. doi:10.1038 / nature01007. PMID  12226659. S2CID  4426776.
  2. ^ McGloin, D .; Dholakia, K. (2005). "Besselovy paprsky: difrakce v novém světle". Současná fyzika. 46 (1): 15–28. Bibcode:2005ConPh..46 ... 15 mil. doi:10.1080/0010751042000275259. S2CID  31363603.
  3. ^ A b Durnin, J. (1987). "Paprsky bez difrakce". Dopisy o fyzické kontrole. 58 (15): 1499–1501. Bibcode:1987PhRvL..58.1499D. doi:10.1103 / PhysRevLett.58.1499. PMID  10034453.
  4. ^ Jiménez, N .; et al. (2014). "Akustické Besselovo formování paprsku osově symetrickou mřížkou". Europhysics Letters. 106 (2): 24005. arXiv:1401.6769. Bibcode:2014EL .... 10624005J. doi:10.1209/0295-5075/106/24005. S2CID  55703345.
  5. ^ Jiménez, N .; et al. (2016). "Tvorba akustických paprsků vysokého řádu Besselových paprsků spirálními difrakčními mřížkami". Fyzický přehled E. 94 (5): 053004. arXiv:1604.08353. Bibcode:2016PhRvE..94e3004J. doi:10.1103 / PhysRevE.94.053004. PMID  27967159. S2CID  27190492.
  6. ^ Fahrbach, F. O .; Simon, P .; Rohrbach, A. (2010). "Mikroskopie se samočinně rekonstruujícími paprsky". Fotonika přírody. 4 (11): 780–785. Bibcode:2010NaPho ... 4..780F. doi:10.1038 / nphoton.2010.204.
  7. ^ Mitri, F. G. (2011). „Libovolný rozptyl elektromagnetického Besselova paprsku nulového řádu dielektrickou koulí“. Optická písmena. 36 (5): 766–8. Bibcode:2011OptL ... 36..766M. doi:10,1364 / OL.36.000766. PMID  21368976.
  8. ^ Hill, M. (2016). „Pohled: Jednostranný pohled na akustické pasti“. Fyzika. 9 (3). doi:10.1103 / Fyzika. 9.3.
  9. ^ D. Baresch, J.L.Thomas a R. Marchiano, Physical review letters, 2016, 116 (2), 024301.
  10. ^ Marston, P. L. (2007). "Rozptyl Besselova paprsku koulí". The Journal of the Acoustical Society of America. 121 (2): 753–758. Bibcode:2007ASAJ..121..753M. doi:10.1121/1.2404931. PMID  17348499.
  11. ^ Silva, G. T. (2011). "Off-osový rozptyl ultrazvukového Besselova paprsku koulí". Transakce IEEE v oblasti ultrazvuku, feroelektriky a řízení frekvence. 58 (2): 298–304. doi:10.1109 / TUFFC.2011.1807. PMID  21342815. S2CID  38969143.
  12. ^ Mitri, F. G .; Silva, G. T. (2011). „Mimoosový akustický rozptyl Besselova vírového paprsku vysokého řádu tuhou koulí“. Wave Motion. 48 (5): 392–400. doi:10.1016 / j.wavemoti.2011.02.001.
  13. ^ Gong, Z .; Marston, P.L .; Li, W .; Chai, Y. (2017). „Multipólová expanze akustických Besselových paprsků s libovolným pořadím a umístěním“. The Journal of the Acoustical Society of America. 141 (6): EL574 – EL578. doi:10.1121/1.4985586. PMID  28679251.
  14. ^ Mitri, F. G. (2008). "Síla akustického záření na kouli ve stojatých a kvazi stojících pinzetách s Besselovým paprskem nulového řádu". Annals of Physics. 323 (7): 1604–1620. Bibcode:2008AnPhy.323.1604M. doi:10.1016 / j.aop.2008.01.011.
  15. ^ Mitri, F. G .; Fellah, Z. E. A. (2008). „Teorie síly akustického záření vyvíjená na kouli stojatou a kvazistantní pinzetou Besselova paprsku nulového řádu s proměnnými úhly polokužele“. Transakce IEEE v oblasti ultrazvuku, feroelektriky a řízení frekvence. 55 (11): 2469–2478. doi:10.1109 / TUFFC.954. PMID  19049926. S2CID  33064887.
  16. ^ Mitri, F. G. (2009). „Síla Langevinova akustického záření z Besselova paprsku vysokého řádu na tuhou kouli“. Transakce IEEE v oblasti ultrazvuku, feroelektriky a řízení frekvence. 56 (5): 1059–1064. doi:10.1109 / TUFFC.2009.1139. PMID  19473924. S2CID  33955993.
  17. ^ Mitri, F. G. (2009). „Síla akustického záření na vzduchovou bublinu a kuličky měkkých tekutin v ideálních kapalinách: Příklad Besselova paprsku vysokého řádu kvazi stojících vln.“ Evropský fyzický věstník E. 28 (4): 469–478. Bibcode:2009EPJE ... 28..469M. doi:10.1140 / epje / i2009-10449-r. PMID  19408023. S2CID  12972708.
  18. ^ Mitri, F. G. (2009). „Negativní síla axiálního záření na tekuté a elastické koule osvětlené Besselovým paprskem progresivních vln vysokého řádu“. Journal of Physics A. 42 (24): 245202. Bibcode:2009JPhA ... 42x5202M. doi:10.1088/1751-8113/42/24/245202.
  19. ^ Mitri, F. G. (2008). „Akustický rozptyl Besselova paprsku vysokého řádu pružnou koulí“. Annals of Physics. 323 (11): 2840–2850. Bibcode:2008AnPhy.323.2840M. doi:10.1016 / j.aop.2008.06.008.
  20. ^ Mitri, F. G. (2009). "Ekvivalence výrazů pro akustický rozptyl progresivního Besselova paprsku vysokého řádu pružnou koulí". Transakce IEEE v oblasti ultrazvuku, feroelektriky a řízení frekvence. 56 (5): 1100–1103. doi:10.1109 / TUFFC.2009.1143. PMID  19473927. S2CID  22404158.
  21. ^ Marston, P. L. (2006). "Axiální radiační síla Besselova paprsku na kouli a směr obrácení síly". The Journal of the Acoustical Society of America. 120 (6): 3518–3524. Bibcode:2006ASAJ..120,3518M. doi:10.1121/1.2361185. PMID  17225382.
  22. ^ Marston, P. L. (2009). "Radiační síla helicoidního Besselova paprsku na kouli". The Journal of the Acoustical Society of America. 125 (6): 3539–3547. Bibcode:2009ASAJ..125,3539M. doi:10.1121/1.3119625. PMID  19507935.
  23. ^ Mitri, F. G. (2011). „Lineární axiální rozptyl akustického Besselova trigonometrického paprsku vysokého řádu stlačitelnými kuličkami měkké tekutiny“. Journal of Applied Physics. 109 (1): 014916–014916–5. Bibcode:2011JAP ... 109a4916M. doi:10.1063/1.3518496.
  24. ^ Bowlan, P .; et al. (2009). „Měření časoprostorového elektrického pole ultrakrátkých superluminálních pulzů Bessel-X“. Novinky v oblasti optiky a fotoniky. 20 (12): 42. Bibcode:2009OptPN..20 ... 42M. doi:10.1364 / OPN.20.12.000042. S2CID  122056218.
  25. ^ Bandres, M. A .; Gutiérrez-Vega, J. C .; Chávez-Cerda, S. (2004). Msgstr "Parabolická nedifrakční pole optických vln". Optická písmena. 29 (1): 44–6. Bibcode:2004OptL ... 29 ... 44B. doi:10.1364 / OL.29.000044. PMID  14719655.
  26. ^ Chremmos, I.D .; Chen, Z; Christodoulides, D. N .; Efremidis, N. K. (2012). „Besselovy optické paprsky s libovolnými trajektoriemi“ (PDF). Optická písmena. 37 (23): 5003–5. Bibcode:2012OptL ... 37.5003C. doi:10,1364 / OL.37.005003. PMID  23202118.
  27. ^ Juanying, Z .; et al. (2013). „Pozorování samovolně se zrychlujících Besselových optických paprsků podél libovolných trajektorií“ (PDF). Optická písmena. 38 (4): 498–500. Bibcode:2013OptL ... 38..498Z. doi:10,1364 / OL.38.000498. PMID  23455115.
  28. ^ Jarutis, V .; Matijošius, A .; DiTrapani, P .; Piskarskas, A. (2009). "Spirálovitý Besselův paprsek nulového řádu". Optická písmena. 34 (14): 2129–31. Bibcode:2009OptL ... 34.2129J. doi:10.1364 / OL.34.002129. PMID  19823524.
  29. ^ Morris, J. E .; Čižmár, T .; Dalgarno, H. I. C .; Marchington, R. F .; Gunn-Moore, F. J .; Dholakia, K. (2010). "Realizace zakřivených Besselových paprsků: šíření kolem překážek". Journal of Optics. 12 (12): 124002. Bibcode:2010JOpt ... 12l4002M. doi:10.1088/2040-8978/12/12/124002.
  30. ^ Rosen, J .; Yariv, A. (1995). "Hadí paprsek: paraxiální libovolná ohnisková linie". Optická písmena. 20 (20): 2042–4. Bibcode:1995OptL ... 20.2042R. CiteSeerX  10.1.1.9.3156. doi:10.1364 / OL.20.002042. PMID  19862244.
  31. ^ Zamboni-Rached, Michel (23. 8. 2004). "Stacionární pole optických vln s libovolným podélným tvarem superponováním Besselových paprsků se stejnou frekvencí: Frozen Waves". Optika Express. 12 (17): 4001–4006. arXiv:fyzika / 0407128. Bibcode:2004Oexpr..12.4001Z. doi:10.1364 / opex.12.004001. PMID  19483938. S2CID  14469395.
  32. ^ Čižmár, Tomáš; Dholakia, Kishan (2009-08-31). "Nastavitelné Besselovy světelné režimy: inženýrství axiálního šíření". Optika Express. 17 (18): 15558–15570. Bibcode:2009Oexpr..1715558C. doi:10.1364 / oe.17.015558. PMID  19724554.
  33. ^ Fahrbach, Florian O .; Simon, Philipp; Rohrbach, Alexander (2010). "Mikroskopie se samočinně rekonstruujícími paprsky". Fotonika přírody. 4 (11): 780–785. Bibcode:2010NaPho ... 4..780F. doi:10.1038 / nphoton.2010.204.
  34. ^ Nylk, Jonathan; McCluskey, Kaley; Preciado, Miguel A .; Mazilu, Michael; Yang, Zhengyi; Gunn-Moore, Frank J .; Aggarwal, Sanya; Tello, Javier A .; Ferrier, David E. K. (01.04.2018). "Mikroskopie světelných listů s paprsky kompenzovanými útlumem a invariantními paprsky". Vědecké zálohy. 4 (4): eaar4817. arXiv:1708.02612. Bibcode:2018SciA .... 4R4817N. doi:10.1126 / sciadv.aar4817. PMC  5938225. PMID  29740614.

Další čtení

externí odkazy