衍射光學元件(jiàn)（DOE）在科(kē)學(xué)研究方向(xiàng)的(dí)應(yīng)用(yòng)

衍射光學(xué)元件(jiàn)（DOE）本(běn)質(zhì)上是(shì)位相(xiāng)調(tiáo)控(kòng)元(yuán)件(jiàn)
。其產生(shēng)的(dí)特殊(shū)波(bō)前位(wèi)相以(yǐ)及在特(tè)定像麵上(shàng)的強(qiáng)度分(fēn)布，在實(shí)驗(yàn)室(shì)科研(yán)及(jí)工業(yè)應用開(kāi)發中均(jūn)有多方麵的(dí)用途
。高效率(shuài)，高(gāo)精度，靈活訂製(zhì)性能是DOE在這類應(yīng)用中(zhōng)的顯著(zhù)特征(zhēng)
。

STED 及超(chāo)分辨(biàn)顯(xiǎn)微
近年來，受(shòu)激(jī)發(fā)射耗盡（Stimulated Emission Depletion, STED）顯微(wēi)作為一種高速度超分辨顯微技術(shù)被廣泛發展(zhǎn)
。STED采用激發光(guāng)激(jī)發樣品熒(yíng)光，退(tuì)激發光(guāng)照射(shè)在特定區(qū)域上使(shǐ)得該區域(yù)熒光因受激輻射(shè)而耗盡，而(ér)尺(chǐ)度小(xiǎo)於光(guāng)學顯微鏡的(dí)未耗盡(jìn)區域(yù)的熒(yíng)光(guāng)被探測(cè)，從而(ér)實現超(chāo)越顯微鏡(jìng)光學分辨率
。
STED通(tōng)過先(xiān)後將(jiāng)兩束重(zhòng)合(hé)的激(jī)光照(zhào)射(shè)到樣品(pǐn)點(diǎn)來(lái)實(shí)現
。退激(jī)發(fā)光需(xū)要中間(jiān)為零，環狀分(fēn)布(bù)的(dí)光強(qiáng)
。通用的(dí)方法(fǎ)是(shì)采用DOE來實現(xiàn)環狀分布，渦旋(xuán)位相板是適合(hé)的(dí)產品，直接插(chā)入激(jī)光(guāng)入射光路(lù)就(jiù)能夠在物鏡焦麵(miàn)上(shàng)形成環(huán)形(xíng)光
。其(qí)它可能(néng)適用產品包(bāo)括(kuò)用(yòng)於3D成像的圓形p位相(xiāng)板
。

 
圖(tú)6.1 STED示例（左(zuǒ)）；一階渦旋位(wèi)相(xiāng)板構建的(dí)位相(xiāng)分布(bù)（右(yòu)）

☛相(xiāng)關(guān)DOE產(chǎn)品
：渦旋位(wèi)相板；p 位(wèi)相(xiāng)板
雙光(guāng)子(zǐ)熒光顯(xiǎn)微(wēi)
與標準(zhǔn)的共聚焦熒光(guāng)顯微類(lèi)似，雙光子(zǐ)熒(yíng)光顯微(wēi)采(cǎi)用激光激發樣品內的熒光標(biāo)記物(wù)並探測熒光
。不同(tóng)的(dí)是(shì)，雙光子(zǐ)熒光利(lì)用(yòng)雙光(guāng)子吸收過程（同時吸收兩個(gè)長波長光(guāng)子(zǐ)）
。長(cháng)波(bō)長光子具備更(gēng)長更(gēng)低(dī)的(dí)散(sàn)射，從(cóng)而提(tí)升(shēng)圖像(xiàng)對(duì)比度；同時，長波(bō)長光(guāng)子在組(zǔ)織內(nèi)穿(chuān)透(tòu)深度更大(dà)，而且相對於短波(bō)長光子(zǐ)不易(yì)滅活樣(yàng)品
。更進一步(bù)地(dì)，雙(shuāng)光(guāng)子(zǐ)吸(xī)收需(xū)要(yào)較(jiào)高的功(gōng)率密(mì)度(dù)，通(tōng)常采用(yòng)飛秒(miǎo)超快激光，可以通過(guò)控製(zhì)光強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)超(chāo)過(guò)光學(xué)分(fēn)辨(biàn)率(shuài)的小區域激發
。
DOE分束器能夠(gòu)在物鏡焦麵上產(chǎn)生(shēng)多(duō)個焦(jiāo)點，可(kě)以實現(xiàn)並(bìng)行(háng)的(dí)多點(diǎn)雙(shuāng)光(guāng)子熒光
。

 
圖(tú)6.2 雙(shuāng)光子熒光(guāng)原(yuán)理(lǐ)示意（左）；多(duō)焦點結(jié)構（右）

☛相關DOE產品
：分束(shù)器(qì)
貝(bèi)塞爾光(guāng)束(shù)
貝塞爾(ěr)（Bessel)光(guāng)束(shù)是(shì)在一定(dìng)程度(dù)上對衍射“免(miǎn)疫”的*光(guāng)束 — 在傳(chuán)播(bō)過(guò)程(chéng)中(zhōng)，在(zài)一定範(fàn)圍(wéi)內(nèi)它不會像通常的(dí)光因衍(yǎn)射(shè)而(ér)發散
。這種(zhǒng)光束由貝(bèi)塞(sāi)爾函(hán)數描述，它(tā)描(miáo)繪了(liǎo)一種具(jù)備多環(huán)結構的截(jié)麵分(fēn)布(bù)
。
聚焦後的貝塞爾(ěr)光(guāng)束具備(bèi)比高斯(sī)光束長的(dí)多(duō)的焦(jiāo)深(shēn)，但焦點處(chǔ)的強度(dù)更(gēng)低(dī)
。
典型的(dí)應(yīng)用包括成(chéng)像(xiàng)，以及在非綫(xiàn)性過(guò)程(chéng)中提升(shēng)焦(jiāo)深(shēn)
。可通過衍射DOE來構建貝(bèi)塞(sāi)爾光束(shù)
。

 
圖6.3 高斯—貝(bèi)塞(sāi)爾轉換及(jí)貝塞(sāi)爾光(guāng)束(shù)強度(dù)分布

☛相(xiāng)關(guān)DOE產品
：衍(yǎn)射(shè)錐透鏡(jìng)，長焦深DOE
激(jī)光(guāng)橫模(mó)生成(chéng)與轉換
在很多(duō)應(yīng)用(yòng)中(zhōng)需(xū)要(yào)將激光(guāng)基模（TEM00）轉(zhuǎn)換成(chéng)高(gāo)階(jiē)高斯-厄密模式（振幅分(fēn)布在笛卡爾坐(zuò)標(biāo)係中的x-y方向分離）或高(gāo)斯-拉蓋爾模(mó)式（軸對稱模式，振幅分布由角座標描述(shù)）
。
典型的(dí)應用包括(kuò)流(liú)式(shì)細(xì)胞(bāo)術，光通訊(xùn)，生物(wù)細胞(bāo)成像以(yǐ)及掃(sǎo)描應(yīng)用
。
p-位(wèi)相(xiāng)板可將(jiāng)TEM00的(dí)高(gāo)斯(sī)光斑轉(zhuǎn)換成為高(gāo)斯-厄密模式（可實現(xiàn)任(rèn)意階(jiē)次(cì)），而渦(wō)旋位相板則(zé)可產生(shēng)高(gāo)斯(sī)-拉(lā)蓋(gài)爾(ěr)模(mó)式(shì)
。

 
圖(tú)6.4 高斯-厄密模(mó)式(shì)生成及p位相板

☛相關(guān)DOE產(chǎn)品(pǐn)
：渦旋位相板；p-位相板
光鑷(niè)與(yǔ)原子陷俘
光鑷(niè)用光來(lái)操作小至單(dān)分(fēn)子或(huò)原(yuán)子的微(wēi)觀目標
。一束(shù)激(jī)光，通常(cháng)是高功率的近紅外(wài)激光(guāng)，通過(guò)高(gāo)性(xìng)能顯(xiǎn)微物鏡，在目標平(píng)麵內形(xíng)成(chéng)光(guāng)斑(bān)
。此光斑形成一個(gè)能(néng)夠(gòu)將(jiāng)目標保(bǎo)持在中心的“光阱”
。
通(tōng)常(cháng)的(dí)應用包括生物醫學，納米(mǐ)顆粒等，用於控製或跟(gēn)蹤測量(liáng)微觀物體的(dí)運(yùn)動
。

 
圖6.5 光(guāng)鑷（左(zuǒ)）；衍(yǎn)射錐鏡(jìng)構建的(dí)光(guāng)斑（右）

☛相關DOE產品(pǐn)
：衍射錐(zhuī)鏡；渦旋(xuán)位相(xiāng)板
艾(ài)利光(guāng)束產(chǎn)生(shēng)
艾利（Airy）光(guāng)束具(jù)備不衍射的波(bō)前，在傳播中光束(shù)不(bù)會(huì)擴散而(ér)且光(guāng)綫會(huì)彎(wān)曲(qū)
。
艾利光束同時(shí)具有(yǒu)自(zì)由“加速(sù)”特性(xìng)，當(dāng)它(tā)傳輸時(shí)，路徑彎曲(qū)形成(chéng)拋物(wù)綫
。
理(lǐ)想艾利(lì)光束的(dí)截麵表現(xiàn)出(chū)一定(dìng)區(qū)域(yù)的主光(guāng)斑強度分布，伴有係(xì)列(liè)旁(páng)瓣(bàn)；隨(suí)著光(guāng)綫(xiàn)傳(chuán)輸到無窮遠，亮度(dù)會漸次(cì)降(jiàng)低
。典型應(yīng)用包(bāo)括(kuò)小(xiǎo)顆粒的(dí)操控(kòng)，如微流體(tǐ)工(gōng)程和細胞(bāo)生物學
。

 
圖(tú)6.6 艾(ài)利(lì)光(guāng)束的(dí)2維強(qiáng)度分布(bù)（左(zuǒ)）和位相分布（右）

☛相關(guān)DOE產品
：球(qiú)麵位(wèi)相板(bǎn)
相幹(gān)合(hé)束(shù)
相(xiāng)幹合(hé)束(shù)的目(mù)的是將(jiāng)多(duō)束(shù)低(dī)功率激(jī)光合成一束高(gāo)功(gōng)率(shuài)激(jī)光(guāng)，同(tóng)時(shí)保持高光束(shù)品質
。相幹(gān)合(hé)束技術可(kě)以獲得遠高(gāo)於(yú)單(dān)台激光(guāng)能(néng)提供的(dí)強度
。
DOE分束(shù)器(qì)可(kě)以將高斯(sī)光(guāng)束分成(chéng)多(duō)束(shù)，每(měi)一束(shù)的橫模(mó)保(bǎo)持原(yuán)有(yǒu)狀態(tài)，每一束的(dí)強度(dù)分(fēn)配(pèi)可(kě)根據(jù)需要(yào)設(shè)計
。如(rú)果將(jiāng)DOE分(fēn)束器(qì)逆向(xiàng)使(shǐ)用，多束激光沿(yán)分束(shù)器(qì)設(shè)計(jì)的出(chū)射(shè)角入(rù)射(shè)，則(zé)能(néng)夠將(jiāng)多束(shù)激光合為(wéi)一束(shù)出(chū)射，而(ér)且不改變其空(kōng)間(jiān)相幹(gān)性
。
這種合束方(fāng)式(shì)還可以(yǐ)級聯使用
。
典(diǎn)型應(yīng)用
：定向(xiàng)能武器；激光反導；空(kōng)間碎片清(qīng)理
。

 
圖6.7 分束與合束

☛相關(guān)DOE產(chǎn)品
：分束器
 流(liú)式細(xì)胞(bāo)術(shù)
流(liú)式細胞術(shù)是一種(zhǒng)廣泛使(shǐ)用(yòng)的技術(shù)，采用光(guāng)照來分(fēn)析在(zài)流體中(zhōng)流(liú)過的粒子的物(wù)理(lǐ)和化(huà)學特征
。當標(biāo)記的細(xì)胞(bāo)經(jīng)過(guò)光(guāng)照時(shí)，其(qí)熒(yíng)光標(biāo)記物被激發(fā)到高能(néng)態；在(zài)躍(yuè)遷回(huí)到(dào)低能態的(dí)過程(chéng)中(zhōng)輻射(shè)波長(cháng)略(lüè)長(cháng)的熒光，通過(guò)測量熒(yíng)光(guāng)就(jiù)可測量(liáng)細胞的尺(chǐ)寸(cùn)和(hé)內在的(dí)成(chéng)份和(hé)結(jié)構
。
流式細胞術(shù)廣(guǎng)泛使用在(zài)多方麵的(dí)細胞生物(wù)學(xué)研究中，同時(shí)也是(shì)疾病診斷（尤(yóu)其是(shì)癌症診斷）的例(lì)行手段(duàn)以(yǐ)及基礎臨床(chuáng)研究(jiū)手段
。

 
圖6.8 流式(shì)細胞術(shù)示(shì)意圖（左）；圓形平頂光(guāng)斑（右）

☛相(xiāng)關DOE產(chǎn)品(pǐn)
：一(yī)維多光束(shù)DOE（用(yòng)於並行通(tōng)道流式細(xì)胞(bāo)術(shù)）；平頂發(fā)生器(qì)