Bessel balk

Utveckling av en Bessel-stråle.
Diagram av axicon och resulterande Bessel-stråle
Tvärsnitt av Bessel-strålen och graf över intensitet
Bessel stråle återbildar centralt ljust område efter obstruktion

En Bessel-stråle är en våg vars amplitud beskrivs av en Bessel-funktion av det första slaget . Elektromagnetiska , akustiska , gravitations- och materiavågor kan alla vara i form av Bessel-strålar. En sann Bessel-stråle är icke-diffraktiv. böjer den sig inte och sprids ut; detta är i motsats till det vanliga beteendet hos ljus (eller ljud), som sprider sig efter att ha fokuserats ner till en liten fläck. Bessel-strålar är också självläkande , vilket innebär att strålen kan blockeras delvis vid en punkt, men kommer att återformas vid en punkt längre ner på strålens axel .

Som med en plan våg kan en sann Bessel-stråle inte skapas, eftersom den är obegränsad och skulle kräva en oändlig mängd energi . Rimligt bra uppskattningar kan emellertid göras, och dessa är viktiga i många optiska tillämpningar eftersom de uppvisar liten eller ingen diffraktion över ett begränsat avstånd. Approximationer till Bessel-strålar görs i praktiken antingen genom att fokusera en Gauss-stråle med en axiconlins för att generera en Bessel-Gauss-stråle, genom att använda axisymmetriska diffraktionsgitter , eller genom att placera en smal ringformig öppning i fjärrfältet . Bessel-strålar av hög ordning kan genereras av spiraldiffraktionsgitter.

Egenskaper

Egenskaperna hos Bessel-strålar gör dem extremt användbara för optisk pincett , eftersom en smal Bessel-stråle kommer att bibehålla sin erforderliga egenskap av snäv fokus över en relativt lång sektion av strålen och även när den är delvis tilltäppt av de dielektriska partiklarna som tweezeras. På liknande sätt uppnåddes partikelmanipulation med en akustisk pincett med en Bessel-stråle som sprider och producerar en strålningskraft som är ett resultat av utbytet av akustiskt momentum mellan vågfältet och en partikel placerad längs dess väg.

Den matematiska funktionen som beskriver en Bessel-stråle är en lösning av Bessels differentialekvation, som i sig uppstår från separerbara lösningar till Laplaces ekvation och Helmholtz-ekvationen i cylindriska koordinater. Den grundläggande nollordningens Bessel-strålen har ett amplitudmaximum vid origo, medan en Bessel-stråle av hög ordningen (HOBB) har en axiell fassingularitet längs strålens axel; amplituden är noll där. HOBBs kan vara av virveltyp (helicoidal) eller icke-virveltyp.

X-vågor är speciella överlagringar av Bessel-strålar som färdas med konstant hastighet och kan överstiga ljusets hastighet .

Mathieu-balkar och paraboliska (Weber) strålar är andra typer av icke-diffraktiva strålar som har samma icke-diffraktiva och självläkande egenskaper som Bessel-balkar men olika tvärstrukturer.

Acceleration

År 2012 bevisades det teoretiskt och experimentellt demonstrerades att, med en speciell manipulation av deras initiala fas, kan Bessel-strålar fås att accelerera längs godtyckliga banor i fritt utrymme. Dessa strålar kan betraktas som hybrider som kombinerar den symmetriska profilen hos en standard Bessel-stråle med självaccelerationsegenskapen hos Airy-strålen och dess motsvarigheter. Tidigare försök att producera accelererande Bessel-strålar innefattade strålar med spiralformade och sinusformade banor såväl som den tidiga ansträngningen för balkar med bitvis raka banor.

Dämpningsersättning

Strålar kan stöta på förluster när de färdas genom material som kommer att orsaka dämpning av strålens intensitet. En egenskap som är gemensam för icke-diffraktionsstrålar (eller utbredningsinvarianta) strålar, såsom den luftiga strålen och Bessel-strålen, är förmågan att styra strålens longitudinella intensitetsomslutning utan att väsentligt förändra strålens övriga egenskaper. Detta kan användas för att skapa Bessel-strålar som växer i intensitet när de färdas och kan användas för att motverka förluster, och därför bibehålla en stråle med konstant intensitet när den fortplantar sig.

Ansökningar

Avbildning och mikroskopi

I ljusarksfluorescensmikroskopi har icke-diffraktionsstrålar (eller utbredningsinvarianta) strålar använts för att producera mycket långa och likformiga ljusark som inte ändrar storlek signifikant över sin längd. Den självläkande egenskapen hos Bessel-strålar har också visat sig ge förbättrad bildkvalitet på djupet eftersom strålformen är mindre förvrängd efter att ha färdats genom spridningsvävnad än en Gaussstråle. Bessel-strålebaserad ljusarkmikroskopi demonstrerades första gången 2010 men många variationer har följt sedan dess. Under 2018 visades det att användningen av dämpningskompensation kunde tillämpas på Bessel-strålebaserad ljusarkmikroskopi och kunde möjliggöra avbildning på större djup inom biologiska prover.

Akustofluidik

Bessel-balkar är en bra kandidat för selektiv infångning på grund av de koncentriska cirklarna av tryckmaximum och minimum i de tvärgående planen.

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Bessel_beam&oldid=1087417680 "