베셀 빔

Bessel beam
베셀 빔의 진화.
아크시콘 및 결과 베셀 빔의 다이어그램
베셀 빔의 단면적 및 강도 그래프
방해물 후 중앙 밝기 영역을 형성하는 베셀 빔

베셀빔은 진폭이 제1종 [1][2][3]베셀함수에 의해 기술되는 파형이다.전자파, 음향파, 중력파, 물질파는 모두 베셀 빔의 형태일 수 있다.진정한 베셀 빔은 굴절되지 않습니다.이것은 그것이 전파될 때, 그것은 회절되고 퍼지지 않는다는 것을 의미합니다; 이것은 작은 점으로 초점을 맞춘 후에 퍼지는 빛(또는 소리)의 일반적인 행동과는 대조적입니다.베셀 빔은 자가 치유 방식이기도 합니다. 즉, 빔이 한 지점에서 부분적으로 차단될 수 있지만 빔 축 아래 지점에서 다시 형성됩니다.

평면파와 마찬가지로, 진정한 베셀 빔은 무한대의 에너지를 필요로 하기 때문에 생성될 수 없습니다.그러나 상당히 좋은 근사치를 [4]얻을 수 있으며, 이것들은 제한된 거리에 걸쳐 회절을 거의 또는 전혀 나타내지 않기 때문에 많은 광학적 응용 분야에서 중요하다.실제로 베셀 빔에 대한 근사치는 아크시콘 렌즈를 사용하여 가우스 빔을 집중시켜 베셀-가우스 빔을 생성하거나 축대칭 회절 [5]격자를 사용하거나 좁은 고리형 구멍을 [3]먼 필드에 배치함으로써 이루어진다.나선형 회절 [6]격자에 의해 고차 베셀빔을 생성할 수 있다.

특성.

베셀 빔의[7][8] 특성은 좁은 베셀 빔이 빔의 비교적 긴 부분에 걸쳐 그리고 트위징되는 유전체 입자에 의해 부분적으로 차단되는 경우에도 필요한 엄격한 초점 특성을 유지하기 때문에 광학 트위징에 매우 유용합니다.마찬가지로 음향 핀셋을 사용한 입자 조작은 파장과 경로를 [15][16][17][18][19][20][21][22][23]따라 배치된 입자 사이의 음향 운동량 교환에 따른 복사력을 산란하고[11][12][13][14] 생성하는 베셀 빔을 사용하여 이루어졌다[9][10].

베셀 빔을 설명하는 수학 함수는 베셀 미분 방정식의 해이며, 그 자체가 라플라스 방정식과 원통 좌표의 헬름홀츠 방정식에 대한 분리 가능한 해에서 발생합니다.기본 0차 베셀 빔은 원점에서 최대 진폭을 가지며, 고차 베셀 빔(HOB)은 빔 축을 따라 축상 특이점을 가지며, 여기서 진폭은 0입니다.HOB는 소용돌이([24]헬리코이드) 또는 비 소용돌이 유형일 수 있습니다.

X파는 일정한 속도로 이동하는 베셀 빔의 특별한 중첩으로 [25]빛의 속도를 초과할 수 있습니다.

Mathieu 빔과 포물선(Weber) 빔은[26] Bessel 빔의 비회절 및 자가 치유 특성은 동일하지만 횡단 구조는 서로 다른 비회절 빔의 다른 유형입니다.

액셀러레이션

2012년, 초기 단계의 특수 조작을 통해 베셀 빔이 자유 공간에서 임의의 궤적을 따라 가속될 수 있다는 것이 이론적으로[27] 증명되고 실험적으로[28] 입증되었다.이러한 빔은 표준 베셀 빔의 대칭 프로파일과 에어리 빔 및 그 빔의 자기 가속도 특성을 결합한 하이브리드라고 볼 수 있습니다.가속 베셀 빔을 생산하기 위한 이전의 노력에는 헬리컬[29] 및 사인파[30] 궤적을 가진 빔과 부분 직선 [31]궤적을 가진 빔의 초기 노력이 포함되었다.

감쇠 보상

빔은 빔 강도를 감쇠시키는 물질을 통과할 때 손실을 볼 수 있습니다.에어리 빔 및 베셀 빔과 같은 비회절(또는 전파 불변) 빔에 공통되는 특성은 빔의 다른 특성을 크게 변경하지 않고 빔의 세로 강도 엔벨로프를 제어하는 능력입니다.이를 통해 이동하면서 강도가 증가하는 베셀 빔을 생성하고 손실을 상쇄하는 데 사용할 수 있으므로 [32][33]빔이 전파될 때 일정한 강도를 유지할 수 있습니다.

적용들

이미징 및 현미경 검사

라이트 시트 형광 현미경에서는 비회절(또는 전파 불변) 빔을 사용하여 길이 전체에 걸쳐 크기가 크게 변하지 않는 매우 길고 균일한 광시트를 생성했다.또한 베셀 빔의 자가 치유 특성은 빔 모양이 가우스 빔보다 산란 조직을 통해 이동한 후 왜곡이 적기 때문에 깊이에서 향상된 영상 품질을 제공하는 것으로 나타났다.베셀 빔 기반 라이트 시트 현미경은 2010년에 처음[34] 시연되었지만 그 이후 많은 변형이 뒤따랐다.2018년에는 감쇠-보상을 베셀 빔 기반 라이트시트 현미경 검사에 적용할 수 있으며 생물학적 [35]시료 내에서 더 깊은 깊이에서의 촬영이 가능한 것으로 나타났다.

음향유동학

베셀 빔은 횡면에서 최대 및 최소 압력의 동심원 때문에 선택적으로 포착할 수 있는 좋은 후보입니다.

레퍼런스

  1. ^ Garcés-Chávez, V.; McGloin, D.; Melville, H.; Sibbett, W.; Dholakia, K. (2002). "Simultaneous micromanipulation in multiple planes using a self-reconstructing light beam". Nature. 419 (6903): 145–7. Bibcode:2002Natur.419..145G. doi:10.1038/nature01007. PMID 12226659. S2CID 4426776.
  2. ^ McGloin, D.; Dholakia, K. (2005). "Bessel beams: diffraction in a new light". Contemporary Physics. 46 (1): 15–28. Bibcode:2005ConPh..46...15M. doi:10.1080/0010751042000275259. S2CID 31363603.
  3. ^ a b Durnin, J. (1987). "Diffraction-free beams". Physical Review Letters. 58 (15): 1499–1501. Bibcode:1987PhRvL..58.1499D. doi:10.1103/PhysRevLett.58.1499. PMID 10034453.
  4. ^ Cox, A.J.; D'Anna, Joseph (1992). "Constant-axial-intensity nondiffracting beam". Optics Letters. 17 (4): 232–234. Bibcode:1992OptL...17..232C. doi:10.1364/OL.17.000232. PMID 19784285.
  5. ^ Jiménez, N.; et al. (2014). "Acoustic Bessel-like beam formation by an axisymmetric grating". Europhysics Letters. 106 (2): 24005. arXiv:1401.6769. Bibcode:2014EL....10624005J. doi:10.1209/0295-5075/106/24005. S2CID 55703345.
  6. ^ Jiménez, N.; et al. (2016). "Formation of high-order acoustic Bessel beams by spiral diffraction gratings". Physical Review E. 94 (5): 053004. arXiv:1604.08353. Bibcode:2016PhRvE..94e3004J. doi:10.1103/PhysRevE.94.053004. PMID 27967159. S2CID 27190492.
  7. ^ Fahrbach, F. O.; Simon, P.; Rohrbach, A. (2010). "Microscopy with self-reconstructing beams". Nature Photonics. 4 (11): 780–785. Bibcode:2010NaPho...4..780F. doi:10.1038/nphoton.2010.204.
  8. ^ Mitri, F. G. (2011). "Arbitrary scattering of an electromagnetic zero-order Bessel beam by a dielectric sphere". Optics Letters. 36 (5): 766–8. Bibcode:2011OptL...36..766M. doi:10.1364/OL.36.000766. PMID 21368976.
  9. ^ Hill, M. (2016). "Viewpoint: A One-Sided View of Acoustic Traps". Physics. 9 (3). doi:10.1103/Physics.9.3.
  10. ^ D. Baresch, J.L. Thomas, R.마르치아노, 물리 리뷰 레터, 2016, 116(2), 024301.
  11. ^ Marston, P. L. (2007). "Scattering of a Bessel beam by a sphere". The Journal of the Acoustical Society of America. 121 (2): 753–758. Bibcode:2007ASAJ..121..753M. doi:10.1121/1.2404931. PMID 17348499.
  12. ^ Silva, G. T. (2011). "Off-axis scattering of an ultrasound bessel beam by a sphere". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 58 (2): 298–304. doi:10.1109/TUFFC.2011.1807. PMID 21342815. S2CID 38969143.
  13. ^ Mitri, F. G.; Silva, G. T. (2011). "Off-axial acoustic scattering of a high-order Bessel vortex beam by a rigid sphere". Wave Motion. 48 (5): 392–400. doi:10.1016/j.wavemoti.2011.02.001.
  14. ^ Gong, Z.; Marston, P. L.; Li, W.; Chai, Y. (2017). "Multipole expansion of acoustical Bessel beams with arbitrary order and location". The Journal of the Acoustical Society of America. 141 (6): EL574–EL578. Bibcode:2017ASAJ..141L.574G. doi:10.1121/1.4985586. PMID 28679251.
  15. ^ Mitri, F. G. (2008). "Acoustic radiation force on a sphere in standing and quasi-standing zero-order Bessel beam tweezers". Annals of Physics. 323 (7): 1604–1620. Bibcode:2008AnPhy.323.1604M. doi:10.1016/j.aop.2008.01.011.
  16. ^ Mitri, F. G.; Fellah, Z. E. A. (2008). "Theory of the acoustic radiation force exerted on a sphere by standing and quasistanding zero-order Bessel beam tweezers of variable half-cone angles". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 55 (11): 2469–2478. doi:10.1109/TUFFC.954. PMID 19049926. S2CID 33064887.
  17. ^ Mitri, F. G. (2009). "Langevin acoustic radiation force of a high-order bessel beam on a rigid sphere". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 56 (5): 1059–1064. doi:10.1109/TUFFC.2009.1139. PMID 19473924. S2CID 33955993.
  18. ^ Mitri, F. G. (2009). "Acoustic radiation force on an air bubble and soft fluid spheres in ideal liquids: Example of a high-order Bessel beam of quasi-standing waves". The European Physical Journal E. 28 (4): 469–478. Bibcode:2009EPJE...28..469M. doi:10.1140/epje/i2009-10449-y. PMID 19408023. S2CID 12972708.
  19. ^ Mitri, F. G. (2009). "Negative axial radiation force on a fluid and elastic spheres illuminated by a high-order Bessel beam of progressive waves". Journal of Physics A. 42 (24): 245202. Bibcode:2009JPhA...42x5202M. doi:10.1088/1751-8113/42/24/245202.
  20. ^ Mitri, F. G. (2008). "Acoustic scattering of a high-order Bessel beam by an elastic sphere". Annals of Physics. 323 (11): 2840–2850. Bibcode:2008AnPhy.323.2840M. doi:10.1016/j.aop.2008.06.008.
  21. ^ Mitri, F. G. (2009). "Equivalence of expressions for the acoustic scattering of a progressive high-order bessel beam by an elastic sphere". IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 56 (5): 1100–1103. doi:10.1109/TUFFC.2009.1143. PMID 19473927. S2CID 22404158.
  22. ^ Marston, P. L. (2006). "Axial radiation force of a Bessel beam on a sphere and direction reversal of the force". The Journal of the Acoustical Society of America. 120 (6): 3518–3524. Bibcode:2006ASAJ..120.3518M. doi:10.1121/1.2361185. PMID 17225382.
  23. ^ Marston, P. L. (2009). "Radiation force of a helicoidal Bessel beam on a sphere". The Journal of the Acoustical Society of America. 125 (6): 3539–3547. Bibcode:2009ASAJ..125.3539M. doi:10.1121/1.3119625. PMID 19507935.
  24. ^ Mitri, F. G. (2011). "Linear axial scattering of an acoustical high-order Bessel trigonometric beam by compressible soft fluid spheres". Journal of Applied Physics. 109 (1): 014916–014916–5. Bibcode:2011JAP...109a4916M. doi:10.1063/1.3518496.
  25. ^ Bowlan, P.; et al. (2009). "Measurement of the Spatiotemporal Electric Field of Ultrashort Superluminal Bessel-X Pulses". Optics and Photonics News. 20 (12): 42. Bibcode:2009OptPN..20...42M. doi:10.1364/OPN.20.12.000042. S2CID 122056218.
  26. ^ Bandres, M. A.; Gutiérrez-Vega, J. C.; Chávez-Cerda, S. (2004). "Parabolic nondiffracting optical wave fields". Optics Letters. 29 (1): 44–6. Bibcode:2004OptL...29...44B. doi:10.1364/OL.29.000044. PMID 14719655.
  27. ^ Chremmos, I. D.; Chen, Z; Christodoulides, D. N.; Efremidis, N. K. (2012). "Bessel-like optical beams with arbitrary trajectories" (PDF). Optics Letters. 37 (23): 5003–5. Bibcode:2012OptL...37.5003C. doi:10.1364/OL.37.005003. PMID 23202118.
  28. ^ Juanying, Z.; et al. (2013). "Observation of self-accelerating Bessel-like optical beams along arbitrary trajectories" (PDF). Optics Letters. 38 (4): 498–500. Bibcode:2013OptL...38..498Z. doi:10.1364/OL.38.000498. PMID 23455115.
  29. ^ Jarutis, V.; Matijošius, A.; DiTrapani, P.; Piskarskas, A. (2009). "Spiraling zero-order Bessel beam". Optics Letters. 34 (14): 2129–31. Bibcode:2009OptL...34.2129J. doi:10.1364/OL.34.002129. PMID 19823524.
  30. ^ Morris, J. E.; Čižmár, T.; Dalgarno, H. I. C.; Marchington, R. F.; Gunn-Moore, F. J.; Dholakia, K. (2010). "Realization of curved Bessel beams: propagation around obstructions". Journal of Optics. 12 (12): 124002. Bibcode:2010JOpt...12l4002M. doi:10.1088/2040-8978/12/12/124002.
  31. ^ Rosen, J.; Yariv, A. (1995). "Snake beam: a paraxial arbitrary focal line". Optics Letters. 20 (20): 2042–4. Bibcode:1995OptL...20.2042R. CiteSeerX 10.1.1.9.3156. doi:10.1364/OL.20.002042. PMID 19862244.
  32. ^ Zamboni-Rached, Michel (2004-08-23). "Stationary optical wave fields with arbitrary longitudinal shape by superposing equal frequency Bessel beams: Frozen Waves". Optics Express. 12 (17): 4001–4006. arXiv:physics/0407128. Bibcode:2004OExpr..12.4001Z. doi:10.1364/opex.12.004001. PMID 19483938. S2CID 14469395.
  33. ^ Čižmár, Tomáš; Dholakia, Kishan (2009-08-31). "Tunable Bessel light modes: engineering the axial propagation". Optics Express. 17 (18): 15558–15570. Bibcode:2009OExpr..1715558C. doi:10.1364/oe.17.015558. PMID 19724554.
  34. ^ Fahrbach, Florian O.; Simon, Philipp; Rohrbach, Alexander (2010). "Microscopy with self-reconstructing beams". Nature Photonics. 4 (11): 780–785. Bibcode:2010NaPho...4..780F. doi:10.1038/nphoton.2010.204.
  35. ^ Nylk, Jonathan; McCluskey, Kaley; Preciado, Miguel A.; Mazilu, Michael; Yang, Zhengyi; Gunn-Moore, Frank J.; Aggarwal, Sanya; Tello, Javier A.; Ferrier, David E. K. (2018-04-01). "Light-sheet microscopy with attenuation-compensated propagation-invariant beams". Science Advances. 4 (4): eaar4817. arXiv:1708.02612. Bibcode:2018SciA....4R4817N. doi:10.1126/sciadv.aar4817. PMC 5938225. PMID 29740614.

추가 정보

외부 링크