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轴锥镜,最重要的光学元件

这是美国《Optics & Photonics News》2005年4月的文章,“Axicon,the most important optical element”。全文除引言外,包括五个部分,分别为谁何时发现了小孔照相机泊松亮斑还是阿拉戈亮斑,超光速还是不能超光速,无衍射光束还是有衍射光束,现代应用 。这里我们翻译其中的引言和现代应用两个部分,以及谁何时发现了小孔照相机的第一段,谨供参考。http://www.edphoton.com

去年(2004年),光学界庆祝轴锥镜(Axicon)被正式命名50周年。但是在此前很久,轴锥镜就激起了有趣的讨论和各种不同意见,这些讨论和不同意见涉及到我们对光学理解的基础性的重要方面。最近, 轴锥镜已经成为实际和科学应用中的重要光学元件。http://www.edphoton.com

1954年,J.H.McLeod从希腊的两个词语轴线(axis)和成像(image),杜撰或者说创造了 轴锥镜(Axicon)一词。按照他的定义,光轴是一种把一个点光源沿光轴方向成像成一条线段的光学元件。虽然McLeod提出的轴锥镜是一种玻璃的圆椎体,但是如果考虑他的定义,那么几乎任意旋转对称的光学元件都可以被称为Axicon。例如,一个完美的透镜就是axicon的一个特例。而且按照McLeod的定义,Axicon在被命名之前很久就已经被使用和分析过了。http://www.edphoton.com

人们不必非常严肃地看待此文的标题。但是,尽管大多数人不知道轴锥镜这个名词,它在光学中是很重要的。人们应该如何定义重要性?我们可以假定最重要的光学元件是一种激起了最多 的讨论矛盾和不同意见的光学元件。按照这个标准,轴锥镜显然是最重要的光学元件。在过去几年,轴锥镜的应用也显著增多,这是其重要性的另一个标志。http://www.edphoton.com

谁何时发现了小孔照相机

从时间上看,小孔照相机可以被看做第一个Axicon,因为它的焦深是无限长的。谁发明了这种最古老的成像设备仍然引起历史学家的讨论。最早提到小孔照相机好像是中国的哲学家墨子(公元前5世纪)。(该部分其他内容请见原文)http://www.edphoton.com

泊松亮斑还是阿拉戈亮斑 (该部分内容请见原文)http://www.edphoton.com

无衍射光束还是有衍射光束 (该部分内容请见原文)http://www.edphoton.com

超光速还是不能超光速 (该部分内容请见原文)http://www.edphoton.com

现代应用http://www.edphoton.com

贝塞尔光束既不能打破衍射定律,也不能实现超光速通讯。但是,经典的 轴锥镜线成像(贝塞尔光束以前的称呼)有很多有趣的应用。贝塞尔光束最重要的应用过去是目前也仍然是在准直应用中。轴锥镜在光轴上形成一条长而窄的光线线段,可以作为一条定义参考线的光学元件。考虑到中央光斑的直径和焦线 的长度之比大体为波长和光学元件的孔径之比,这使得准直的精度可以到10-6http://www.edphoton.com

轴锥镜在计量学中的可能应用包括光学系统和机械设备的准直,大型表面平面度的测试,通过观察漫散射光探测小物体,光三角以及切片等。这里我们图示了一个有趣的例子,他之所以有趣是因为它的历史背景,也就是最古老的波动光学 轴锥镜图像阿拉戈亮斑用于现代自由电子激光器的准直。http://www.edphoton.com

轴锥镜的另一个重要应用是增大焦深成像。对数 轴锥镜被认为是实现增大焦深的最好轴锥镜,因为输出的光功率密度沿焦线是一个常数。http://www.edphoton.com

用于操作微物体的光镊和贝塞尔光束被同时提出来,很快人们观察到并理解了使用 轴锥镜线捕获微粒。最近,镊激起了很多兴趣,它们已成为生物细胞定位的标准设备。研究人员获得了可产生高阶贝塞尔光束,扭曲光束和通过给透射函数加上角相位项的光学涡旋的更复杂的 轴锥镜。http://www.edphoton.com

在轴锥镜扮演重要角色的应用中,另一个快速发展的应用是非线性光学,特别是贝塞尔光束的光学倍频,它起源于Wulle和Herminghaus的开创性的工作。相关的课题包括激光介质的泵浦和色散补偿。最近有人提出在光学相干断层扫描成像中使用 轴锥镜来恢复人眼的三维结构。http://www.edphoton.com

可获得的轴锥镜类型和它们产生的场的种类在过去几年得到了很大的发展。除了贝塞尔光束以外,还出现了新型的连续波和脉冲解,如X波,Matthieu光束以及抛物线无衍射场。它们中有些可以使用一般化的 轴锥镜定义,从而忽略对径向对称性的要求。此外,由于制造技术的发展,除了经典的圆锥形Axicons和传统的贝塞尔光束外,许多衍射型 轴锥镜大量涌现。http://www.edphoton.com

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