激光衍射元件DOE在科学研究方向的应用

近年来，受激发射耗尽（Stimulated Emission Depletion, STED）显微作为一种高速度超分辨显微技术被广泛发展。STED采用激发光激发样品荧光，退激发光照射在特定区域上使得该区域荧光因受激辐射而耗尽，而尺度小于光学显微镜的未耗尽区域的荧光被探测，从而实现超越显微镜光学分辨率。

STED通过先后将两束重合的激光照射到样品点来实现。退激发光需要中间为零、环状分布的光强。最通用的方法是采用DOE来实现环状分布，涡旋位相板是最适合的产品，直接插入激光入射光路就能够在物镜焦面上形成环形光。其它可能适用产品包括用于3D成像的圆形p位相板。

▲图. STED示例（左）；一阶涡旋位相板构建的位相分布（右）

与标准的共聚焦荧光显微类似，双光子荧光显微采用激光激发样品内的荧光标记物并探测荧光。不同的是，双光子荧光利用双光子吸收过程（同时吸收两个长波长光子）。长波长光子具备更长更低的散射，从而提升图像对比度；同时，长波长光子在组织内穿透深度更大，而且相对于短波长光子不易灭活样品。更进一步地，双光子吸收需要较高的功率密度，通常采用飞秒超快激光，可以通过控制光强来实现超过光学分辨率的小区域激发。

DOE分束器能够在物镜焦面上产生多个焦点，可以实现并行的多点双光子荧光。

▲图. 双光子荧光原理示意（左）；多焦点结构（右）

贝塞尔（Bessel)光束是在一定程度上对衍射“免疫”的独特光束 — 在传播过程中，在一定范围内它不会像通常的光因衍射而发散。这种光束由贝塞尔函数描述，它描绘了一种具备多环结构的截面分布。聚焦后的贝塞尔光束具备比高斯光束长的多的焦深，但焦点处的强度更低。

典型的应用包括成像，以及在非线性过程中提升焦深。可通过衍射DOE来构建贝塞尔光束。

▲图. 高斯—贝塞尔转换及贝塞尔光束强度分布

在很多应用中需要将激光基模（TEM00）转换成高阶高斯-厄密模式（振幅分布在笛卡尔坐标系中的x-y方向分离）或高斯-拉盖尔模式（轴对称模式，振幅分布由角座标描述）。典型的应用包括流式细胞术，光通讯，生物细胞成像以及扫描应用。

p-位相板可将TEM00的高斯光斑转换成为高斯-厄密模式（可实现任意阶次），而涡旋位相板则可产生高斯-拉盖尔模式。

▲图. 高斯-厄密模式生成及p位相板

光镊用光来操作小至单分子或原子的微观目标。一束激光，通常是高功率的近红外激光，通过高性能显微物镜，在目标平面内形成光斑。此光斑形成一个能够将目标保持在中心的“光阱”。

通常的应用包括生物医学，纳米颗粒等，用于控制或跟踪测量微观物体的运动。

▲图. 光镊（左）；衍射锥镜构建的光斑（右）

艾利（Airy）光束具备不衍射的波前，在传播中光束不会扩散而且光线会弯曲。

艾利光束同时具有自由“加速”特性，当它传输时，路径弯曲形成抛物线。

理想艾利光束的截面表现出一定区域的主光斑强度分布，伴有系列旁瓣；随着光线传输到无穷远，亮度会渐次降低。典型应用包括小颗粒的操控，如微流体工程和细胞生物学。

▲图. 艾利光束的2维强度分布（左）和位相分布（右）

相干合束的目的是将多束低功率激光合成一束高功率激光，同时保持高光束品质。相干合束技术可以获得远高于单台激光能提供的强度。

DOE分束器可以将高斯光束分成多束，每一束的横模保持原有状态，每一束的强度分配可根据需要设计。如果将DOE分束器逆向使用，多束激光沿分束器设计的出射角入射，则能够将多束激光合为一束出射，而且不改变其空间相干性。这种合束方式还可以级联使用。

典型应用：定向能武器；激光反导；空间碎片清理。

▲图. 分束与合束

流式细胞术是一种广泛使用的技术，采用光照来分析在流体中流过的粒子的物理和化学特征。当标记的细胞经过光照时，其荧光标记物被激发到高能态；在跃迁回到低能态的过程中辐射波长略长的荧光，通过测量荧光就可测量细胞的尺寸和内在的成份和结构。

流式细胞术广泛使用在多方面的细胞生物学研究中，同时也是疾病诊断（尤其是癌症诊断）的例行手段以及基础临床研究手段。

▲图. 流式细胞术示意图（左）；圆形平顶光斑（右）