激光衍射元件DOE中实验室科研及工业检测方案(激光产品)

激光衍射元件 DOE在实验室科研及工业的应用 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。最通用的方法是采用 DOE 来实环环状分布，涡旋位相板是最适合的产品，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。 spot (b)， the line scan of intensity distributions (c)，remaining focal area allowing fluorescence (d)[2] 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。 photon excitation process [4] 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”的独特光束一在传播过程中，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 来构建贝塞尔光光。 Bessel-like beom generation using a Diffractive Axicon element (left) and a closer look on the output beom distribution (right) 图6.3高斯一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。 specimen plane objective laser A diffractive Axicon shaped spot Typical optical trap set-up (up)[10J， single beamoptical tweezers (down) [11] 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。 2D Airy beam intensity distribution (left) and the corresponding phase (right) 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。 Typical operation of a 1x3 Multi-Spot element for beam splitting(left)， reverse operation ofo 1x3 Multi-5potelement for beam combining(right) 图6.7分束与合束 ir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) ir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 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。