艾里光束调控与三维显微成像应用

王 健， 郭宗林

(哈尔滨工业大学 物理学院，黑龙江 哈尔滨150001)

1 引 言

艾里函数是亥姆霍兹方程的精确解析解，据此通过频域调控方法制备的艾里光束具有无衍射、自修复和自加速的特殊性质[1-2]，其无衍射特性可使其在传播几个瑞利长度内保持波前稳定。自修复特性可使光束在透过强散射介质和波前畸变后快速恢复波前。自加速特性导致光束在传播过程中表现出横向自弯曲。这些特性使其在光操控[3]、微加工[4]、非线性光学[5]、光学显微成像[6]、湍流大气研究[7]等领域受到关注。

2007年，Siviloglou等人[8]首次提出了基于高斯光束的频域调控方法，在实验中产生了艾里光束，并研究了横向自加速特性。2008年，艾里光束的自修复特性引起关注，Broky理论分析了其物理机制，并通过实验进行了验证[9]。此后，艾里光束的独特传播特性及其显微成像的潜在应用获得深入研究。2014年，艾里光束被制作成光片，用于光片显微镜的激发光场，提高了传统光片显微镜的成像分辨率[10]。同年，Jia等人[11]在随机发射显微镜(STORM)中利用艾里光束调制点扩散函数，提高了三维定位精度，但其自加速特性导致的横向自弯曲传播性能及其应用潜力并未被充分研究。

本文研究一种利用液晶空间光调制器调控艾里光束的自加速特性，并基于光束的横向自弯曲传播调控实现的艾里光束三维重建显微镜。该显微镜具有无扫描高分辨三维成像能力。介绍其工作原理、设计的方法以及实验结果，为红外、太赫兹等其他波段三维成像系统设计提供参考。……