Generation of an Ultra-Long Optical Needle Induced by an Azimuthally Polarized Beam

Abstract

In this manuscript, a method of generating an ultra-long optical needle (depth-to-width ratio 37.5:1) is proposed and demonstrated by focusing an azimuthally polarized beam. In theory, the action mechanism between the incident beam and the amplitude modulation element, the spiral phase modulation element, the focusing lens were studied based on the Richards and Wolf's theory. The relationship between the intensity distribution of the optical needle and the structure parameter of the element were obtained, thus leading to the complete design model and design standard. In experiment, the annular amplitude modulation element and spiral phase modulation element were fabricated by lithography. The optical needle was obtained based on a custom-designed optical setup in our laboratory. The optical system consists of an annular aperture (3.9-mm inner diameter, 80-µm annular width), a spiral phase plate (topological charge of 1), and an objective lens with numerical aperture of 0.95. Finally, an optical needle with a subwavelength size (0.416λ) and an ultra-long depth of focus (15.6λ) was obtained, showing an excellent agreement with our theoretical model.

An Intriguing Interpretation of 1D and 2D Non-Diffracting Modes in Cosine Profile

“…As shown in Section 4, we can easily generate a high-power, tunable-size optical needle array at any arbitrary wavelength using 1D Cosine beams through the method of superposition. Compared to previous reports [43][44][45][46], this technique is cost-effective, and it can be well utilized for generating optical needles in any pulsed laser. The weave length of these optical needles can be easily tuned to facilitate them for any application by virtue of nonlinear wave mixing [47].…”

The study of tight focusing characteristics of azimuthally polarized vortex beams and the implementation of ultra-long super-resolved optical needle

“…究者还发现光针可应用于光学相干层析显微成像 [6] 和光声显微成像 [7] ，以实现大 焦深的显微成像，因此如何获得横向尺寸更小，纵向长度更长的超分辨光针成为 后续急需解决的问题。 超分辨光针的产生方法研究目前主要集中于柱矢量偏振光， 虽然最新的研究结果表明 [6] ，使用多焦点控制技术可以不依赖光束偏振态获得超 长焦深的光针，但其横向分辨率仍然无法与柱矢量偏振光光针相比，且随着光针 横向分辨率的提升， 光源的衍射效率会急剧下降， 当横向分辨率达到衍射极限时， 其衍射效率只有不到 2%，所以此方法并不适用于实现超分辨光针。 径向偏振光最常被用于实现超分辨光针。2008 年，Wang 等设计了 5 环带的 环形二元相位板，对径向偏振贝塞尔高斯光束进行了波前相位调制，将大部分能 量调制到了纵向分量上，实现了横向半高全宽(full-width at half-maximum， FWHM)为 0.43 ，纵向 FWHM 为 4 的聚焦电场，并提出了光针的概念 [8] ，极大 推动了该方向的研究进展。2010 年，Li 等提出了环形二元相位板的优化设计方 法 [9] 。2013 年，Guo 等设计了 17 环带的复杂二元相位板，使用高阶径向偏振拉 盖尔高斯光束实现了横向 FWHM 为 0.41 ，纵向 FWHM 为 9.53 的光针 [10] 。随 后，这一指标再未得到明显提升，直到 2020 年，Zhang 等人更改了波前调制思 路，使用多焦点再融合的思想，用扇形相位板对径向偏振贝塞尔高斯光束进行了 调制，实现了横向 FWHM 为 0.6 ，纵向 FWHM 为 20.3 的超长光针 [11] 。这种 调制方法虽然大幅增加了光针的纵向长度，但缺点是横向分辨率也大幅下降了， 甚至未能突破衍射极限。2021 年，Huang 等改进了环形二元相位板的优化设计 方法 [12] ，分别使用 14 环带和 27 环带实现了纵向 FWHM 为 24 和 43 的超长光 针，但由于环带数量较多，较难实验实现。 随着涡旋光束研究的飞速发展，研究者发现拓扑荷数为 1  的角向偏振涡旋 光束紧聚焦后也可获得超分辨焦斑，且焦斑尺寸甚至小于径向偏振光的结果 [13] ， 因此有研究者开始尝试利用此种光束来实现超分辨光针。2011 年，Yuan 等利用 环形二元相位板波前调制的方法， 使得 1 阶角向矢量涡旋光束紧聚焦后获得了长 度约为 5 的光针 [14] 。2014 年，Gu 等使用类似的方法，将光针长度提升到约 7 [15] 。2021 年，Shi 等利用宽度为 80.7 m  窄带环形光阑对 1 阶角向涡旋矢量光束 进行了遮挡，实验实现了横向 FWHM 为 0.416 ，纵向 FWHM 为15.6 的超长光 针 [16] 。这一结果在保持超分辨的前提下，大幅提升了光针长度，但由于使用了 超窄带光阑遮挡，因此光源的衍射效率极低。2022 年，Pan 等同时调制了光束的 振幅和相位， 结果表明使用多环形 1 阶角向涡旋矢量光束结合相位调制可实现长 度约为10 的光针 [17] 。 如前所述， 超分辨光针的研究主要集中于径向偏振光和 1 阶角向矢量涡旋光。 其中前者的研究已较为成熟 [18,19] ，径向偏振光紧聚焦可视为位于焦点位置的纵…”