衍射光學(xué)元件（DOE）在科學(xué)研究方向的應(yīng)用

衍射光學(xué)元件（DOE）在科學(xué)研究方向的應(yīng)用

衍射光學(xué)元件（DOE）本質(zhì)上是位相調(diào)控元件。其產(chǎn)生的特殊波前位相以及在特定像面上的強(qiáng)度分布，在實(shí)驗(yàn)室科研及工業(yè)應(yīng)用開發(fā)中均有多方面的用途。高效率、高精度、靈活訂制性能是DOE在這類應(yīng)用中的顯著特征。

STED 及超分辨顯微
近年來(lái)，受激發(fā)射耗盡（Stimulated Emission Depletion, STED）顯微作為一種高速度超分辨顯微技術(shù)被廣泛發(fā)展。STED采用激發(fā)光激發(fā)樣品熒光，退激發(fā)光照射在特定區(qū)域上使得該區(qū)域熒光因受激輻射而耗盡，而尺度小于光學(xué)顯微鏡的未耗盡區(qū)域的熒光被探測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)超越顯微鏡光學(xué)分辨率。
STED通過先后將兩束重合的激光照射到樣品點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。退激發(fā)光需要中間為零、環(huán)狀分布的光強(qiáng)。通用的方法是采用DOE來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)狀分布，渦旋位相板是適合的產(chǎn)品，直接插入激光入射光路就能夠在物鏡焦面上形成環(huán)形光。其它可能適用產(chǎn)品包括用于3D成像的圓形p位相板。

 
圖6.1 STED示例（左）；一階渦旋位相板構(gòu)建的位相分布（右）

?相關(guān)DOE產(chǎn)品：渦旋位相板；p 位相板
雙光子熒光顯微
與標(biāo)準(zhǔn)的共聚焦熒光顯微類似，雙光子熒光顯微采用激光激發(fā)樣品內(nèi)的熒光標(biāo)記物并探測(cè)熒光。不同的是，雙光子熒光利用雙光子吸收過程（同時(shí)吸收兩個(gè)長(zhǎng)波長(zhǎng)光子）。長(zhǎng)波長(zhǎng)光子具備更長(zhǎng)更低的散射，從而提升圖像對(duì)比度；同時(shí)，長(zhǎng)波長(zhǎng)光子在組織內(nèi)穿透深度更大，而且相對(duì)于短波長(zhǎng)光子不易滅活樣品。更進(jìn)一步地，雙光子吸收需要較高的功率密度，通常采用飛秒超快激光，可以通過控制光強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)超過光學(xué)分辨率的小區(qū)域激發(fā)。
DOE分束器能夠在物鏡焦面上產(chǎn)生多個(gè)焦點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)并行的多點(diǎn)雙光子熒光。

 
圖6.2 雙光子熒光原理示意（左）；多焦點(diǎn)結(jié)構(gòu)（右）

?相關(guān)DOE產(chǎn)品：分束器
貝塞爾光束
貝塞爾（Bessel)光束是在一定程度上對(duì)衍射“免疫”的*光束 — 在傳播過程中，在一定范圍內(nèi)它不會(huì)像通常的光因衍射而發(fā)散。這種光束由貝塞爾函數(shù)描述，它描繪了一種具備多環(huán)結(jié)構(gòu)的截面分布。
聚焦后的貝塞爾光束具備比高斯光束長(zhǎng)的多的焦深，但焦點(diǎn)處的強(qiáng)度更低。
典型的應(yīng)用包括成像，以及在非線性過程中提升焦深。可通過衍射DOE來(lái)構(gòu)建貝塞爾光束。

 
圖6.3 高斯—貝塞爾轉(zhuǎn)換及貝塞爾光束強(qiáng)度分布

?相關(guān)DOE產(chǎn)品：衍射錐透鏡，長(zhǎng)焦深DOE
激光橫模生成與轉(zhuǎn)換
在很多應(yīng)用中需要將激光基模（TEM00）轉(zhuǎn)換成高階高斯-厄密模式（振幅分布在笛卡爾坐標(biāo)系中的x-y方向分離）或高斯-拉蓋爾模式（軸對(duì)稱模式，振幅分布由角座標(biāo)描述）。
典型的應(yīng)用包括流式細(xì)胞術(shù)，光通訊，生物細(xì)胞成像以及掃描應(yīng)用。
p-位相板可將TEM00的高斯光斑轉(zhuǎn)換成為高斯-厄密模式（可實(shí)現(xiàn)任意階次），而渦旋位相板則可產(chǎn)生高斯-拉蓋爾模式。

 
圖6.4 高斯-厄密模式生成及p位相板

?相關(guān)DOE產(chǎn)品：渦旋位相板；p-位相板
光鑷與原子陷俘
光鑷用光來(lái)操作小至單分子或原子的微觀目標(biāo)。一束激光，通常是高功率的近紅外激光，通過高性能顯微物鏡，在目標(biāo)平面內(nèi)形成光斑。此光斑形成一個(gè)能夠?qū)⒛繕?biāo)保持在中心的“光阱”。
通常的應(yīng)用包括生物醫(yī)學(xué)，納米顆粒等，用于控制或跟蹤測(cè)量微觀物體的運(yùn)動(dòng)。

 
圖6.5 光鑷（左）；衍射錐鏡構(gòu)建的光斑（右）

?相關(guān)DOE產(chǎn)品：衍射錐鏡；渦旋位相板
艾利光束產(chǎn)生
艾利（Airy）光束具備不衍射的波前，在傳播中光束不會(huì)擴(kuò)散而且光線會(huì)彎曲。
艾利光束同時(shí)具有自由“加速”特性，當(dāng)它傳輸時(shí)，路徑彎曲形成拋物線。
理想艾利光束的截面表現(xiàn)出一定區(qū)域的主光斑強(qiáng)度分布，伴有系列旁瓣；隨著光線傳輸?shù)綗o(wú)窮遠(yuǎn)，亮度會(huì)漸次降低。典型應(yīng)用包括小顆粒的操控，如微流體工程和細(xì)胞生物學(xué)。

 
圖6.6 艾利光束的2維強(qiáng)度分布（左）和位相分布（右）

?相關(guān)DOE產(chǎn)品：球面位相板
相干合束
相干合束的目的是將多束低功率激光合成一束高功率激光，同時(shí)保持高光束品質(zhì)。相干合束技術(shù)可以獲得遠(yuǎn)高于單臺(tái)激光能提供的強(qiáng)度。
DOE分束器可以將高斯光束分成多束，每一束的橫模保持原有狀態(tài)，每一束的強(qiáng)度分配可根據(jù)需要設(shè)計(jì)。如果將DOE分束器逆向使用，多束激光沿分束器設(shè)計(jì)的出射角入射，則能夠?qū)⒍嗍す夂蠟橐皇錾洌也桓淖兤淇臻g相干性。
這種合束方式還可以級(jí)聯(lián)使用。
典型應(yīng)用：定向能武器；激光反導(dǎo)；空間碎片清理。

 
圖6.7 分束與合束

?相關(guān)DOE產(chǎn)品：分束器
 流式細(xì)胞術(shù)
流式細(xì)胞術(shù)是一種廣泛使用的技術(shù)，采用光照來(lái)分析在流體中流過的粒子的物理和化學(xué)特征。當(dāng)標(biāo)記的細(xì)胞經(jīng)過光照時(shí)，其熒光標(biāo)記物被激發(fā)到高能態(tài)；在躍遷回到低能態(tài)的過程中輻射波長(zhǎng)略長(zhǎng)的熒光，通過測(cè)量熒光就可測(cè)量細(xì)胞的尺寸和內(nèi)在的成份和結(jié)構(gòu)。
流式細(xì)胞術(shù)廣泛使用在多方面的細(xì)胞生物學(xué)研究中，同時(shí)也是疾病診斷（尤其是癌癥診斷）的例行手段以及基礎(chǔ)臨床研究手段。

 
圖6.8 流式細(xì)胞術(shù)示意圖（左）；圓形平頂光斑（右）

?相關(guān)DOE產(chǎn)品：一維多光束DOE（用于并行通道流式細(xì)胞術(shù)）；平頂發(fā)生器