關(guān)于強(qiáng)激光技術(shù)領(lǐng)域中光束聚焦特性的研究

馬學(xué)軍　牟世娟

摘要：光束聚焦特性的研究可以使人們更深地認(rèn)識光束的聚焦光強(qiáng)分布和聚焦過程中產(chǎn)生的其他現(xiàn)象，為實(shí)際工作中光束聚焦的應(yīng)用以及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面提供充分的理論依據(jù)。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了將激光光束整形成平頂光束或局域空心光束，并且可以把高空間相干激光變成部分相干光。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)激光技術(shù)；光束聚焦；焦移

中圖分類號：TN248

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-2374(2009)04-0100-02

1960年第一臺紅寶石激光器的問世使高功率密度的光束成為現(xiàn)實(shí)。在一些實(shí)際應(yīng)用中，如激光加工、慣性約束聚變等，要求功率密度更高、光斑更小的光束。對光束聚焦是提高光束功率密度、減小光束光斑的重要手段之一，在實(shí)際工作中得到廣泛使用。因而強(qiáng)激光技術(shù)領(lǐng)域中對光束聚焦特性的研究成為很熱門的課題。在惠更斯一菲涅爾(衍射積分)原理(Huygens-Fresnel principle)或德拜積分表達(dá)式(Debye integral representation)基礎(chǔ)上，早期Lommel用Lommel函數(shù)計(jì)算衍射積分研究了會聚球面波焦點(diǎn)附近的三維光強(qiáng)分布情況，并作出了圓孔衍射會聚球面波子午面上焦點(diǎn)附近的等照線圖。得出強(qiáng)度分布關(guān)于焦平面是對稱的，光束的光強(qiáng)主極大處于幾何焦點(diǎn)位置的結(jié)論。

光束聚焦特性的研究可以使人們更深地認(rèn)識光束的聚焦光強(qiáng)分布和聚焦過程中產(chǎn)生的其他現(xiàn)象，為實(shí)際工作中光束聚焦的應(yīng)用以及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面提供充分的理論依據(jù)。目前，人們已對多類光束，例如球面波、高斯光束、高階高斯光束、高斯一謝爾模型光束、相干高斯光束和矢量貝塞爾一高斯光束等的聚焦特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，得出了對實(shí)際應(yīng)用具有參考意義的結(jié)果。早期對光束聚焦特性的研究主要是光束的聚焦光強(qiáng)分布。自1981年Li和Wolf明確提出焦移的概念后，聚焦光束的焦移成為目前人們在研究光束聚焦特性中主要關(guān)注的內(nèi)容。復(fù)光學(xué)系統(tǒng)的菲涅爾數(shù)一般非常大(達(dá)到約1000的數(shù)量級)時(shí)大多數(shù)應(yīng)用中的焦移可以忽略，顯然實(shí)際中用一個數(shù)量級的菲涅爾數(shù)來描述的激光光腔則不屬于這種情況，因而研究多類光束的焦移對激光光腔的研究和設(shè)計(jì)有很大的作用。例如Li和Wolf對會聚高斯光束研究得出光束的菲涅爾數(shù)和截?cái)鄥?shù)是影響焦移的兩個重要參數(shù)的結(jié)論，他們發(fā)現(xiàn)光束菲涅爾數(shù)和截?cái)鄥?shù)的減小都引起焦移(絕對值)增加。而對于部分相干光，相干度也成為影響焦移的參數(shù)，Lu和Zhang以及Friberg等人發(fā)現(xiàn)相干度減小使部分相干光的焦移(絕對值)增大。在對焦移的研究工作中，大多考慮的是空間完全相干光，對部分相干光的聚焦所產(chǎn)生的焦移卻很少。由于在某些實(shí)際應(yīng)用中，部分相干光比完全相干光更具優(yōu)越性。例如，部分相干光在大氣中傳輸時(shí)發(fā)散程度要比完全相干光小得多；并且部分相干光束具有光強(qiáng)比較均勻，對散斑低靈敏等優(yōu)點(diǎn)而被應(yīng)用于激光核聚變等領(lǐng)域。此外，多橫模的高功率激光光束可用部分相干光束描述。因此，對部分相干光束的聚焦所產(chǎn)生的焦移的研究變得十分重要。

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，光束整形技術(shù)也隨之成為人們研究的熱門課題。迄今為止，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了將激光光束整形成平頂光束或局域空心光束等。局域空心光束是一種在聚焦區(qū)域出現(xiàn)的中心光強(qiáng)較小，四周被光強(qiáng)較高的區(qū)域所包圍一種特殊光束。近幾年，有關(guān)局域空心光束的產(chǎn)生和應(yīng)用的研究已經(jīng)成為一個很重要的課題，這種光束在原子引導(dǎo)、原子囚禁，以及光學(xué)鑷子等方面都有廣泛的應(yīng)用。例如，光學(xué)偶極子陷阱，即局域空心光束，在遠(yuǎn)失諧的輻射場中依賴于作用在原子上的力。冷原子可以被很淺的陷阱所儲存。那么，陷阱的勢能起源于遠(yuǎn)場原子標(biāo)準(zhǔn)能級引導(dǎo)的光的移動。藍(lán)失諧則利用輻射場失諧原子躍遷到高頻的一邊，實(shí)現(xiàn)原子被限制在低強(qiáng)度的區(qū)域。在藍(lán)失諧光學(xué)偶極子陷阱中，長限制的相干性和非常低的擾亂在超精細(xì)原子級別中可以獲得。藍(lán)失諧陷阱的主要問題是實(shí)現(xiàn)被光環(huán)繞著的暗斑區(qū)域的激光光束的對稱性。有關(guān)局域空心光束(藍(lán)失諧光學(xué)陷阱)原子囚禁方面的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量國內(nèi)外已經(jīng)做了不少研究。因此，在實(shí)際生活中找到一種產(chǎn)生局域空心光束的方法是非常有趣而且重要的。

1971年，Ashkin等人發(fā)展了一種囚禁微米粒子的光學(xué)技術(shù)，簡稱光學(xué)鑷子(或光鉗)。其主要是利用強(qiáng)聚焦的高斯光束在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生了很高的電場梯度，并且對激光束中的介質(zhì)粒子施加一個指向焦點(diǎn)的作用力，使得介質(zhì)粒子被三維囚禁在高斯光束的焦點(diǎn)附近。光學(xué)鑷子為精確操控微觀粒子提供了一種非接觸無損管、光學(xué)鑷子和光學(xué)扳手，空心光束在微觀粒子(如微米粒子、納米粒子、自由電子、生物細(xì)胞等)的精確、無接觸操縱和控制中有著廣泛的應(yīng)用。因此，空心光束的產(chǎn)生及其傳輸成為很熱門的研究課題。

在強(qiáng)激光技術(shù)中，很難遇到理想的完全相干基橫模高斯光束，大多數(shù)發(fā)出的是部分相干多橫模激光，比較合乎實(shí)際情況的是采用高斯一謝爾模型(GSM)光束描述部分相干的多模激光，在一定條件下可得到比較好的模擬結(jié)果。GSM光束不僅能相對容易地做理論分析，而且在實(shí)際中很容易實(shí)現(xiàn)，也可由高斯光束進(jìn)行轉(zhuǎn)換。與高斯光束類似，GSM光束也是波動方程的近軸近似解，它具有良好的方向性但卻只有部分相干性。由于部分相干性的有效方法，近幾年，有些研究者采用空心光束來構(gòu)成光鑷。因?yàn)樽鳛榧す鈱?dǎo)的GSM光束在某些方面比完全相干的高斯光束優(yōu)越，因此如何把高斯光束轉(zhuǎn)換成GSM光束就是一項(xiàng)很重要的研究工作。迄今為止，已有幾種方法能把高斯光束轉(zhuǎn)換成GSM光束。隨著激光核聚變研究的深入，為了減少高空間相干光所引起的有害效應(yīng)(如散斑等)，常采用去相干的辦法把高空間相干激光變成部分相干光。既然部分相干光具有如此多的特性和優(yōu)點(diǎn)。那么對部分相干光聚焦特性的研究顯得十分必要。