聚焦場

基於像差理論設計了具有平聚焦場的陣列波導光柵(AWG)，其輸入部分與輸出部分採用對稱，成為同時具有平輸入場和平聚焦場，可以省略輸入和輸出波導，使輸入/輸出星形耦合器可分別直接與光纖陣列連線，結構得到了簡化。設計了頻率間隔為200 GHz的9×9通道平場AWG波長路由器,光場傳輸模擬結果顯示，所有波長的輸出信號均聚焦在與傳輸方向垂直的一條直線上,驗證了平場設計的正確性。

基本介紹

• 中文名：聚焦場
• 外文名：focousing field
• 原理：像差理論
• 特點：具有平聚焦場的陣列波導光柵
• 類型：輸入部分與輸出部分採用對稱

套用

高能聚焦場效消融系統，為前列腺患者擺脫頑症困擾帶來新希望。該系統得到北京大學附屬醫院、北京協和醫院等國內多家醫療單位的認可，成為治療前列腺疾病的首選技術。它利用高能聚焦電流場產生的排毒效應、生物效應、熱效應，疏通前列腺小腺管，促使病菌毒素、膿性阻塞物隨導管排除體外，從而改善腺管內部環境，消除前列腺疾病的症狀，達到治療目的。治療無需開刀、無痛苦、無創傷、無副作用。臨床實驗證明，該系統對前列腺炎、前列腺增生有效率達到96%。

◆排毒效應：高頻聚焦電流場直接作用於病灶，殺滅或抑制細菌生長，並擴張前列腺中各種腺管，增加其代謝功能，治療中可見膿狀物隨尿液排出體外，患者尿頻、尿急、尿痛等症狀迅速消失。

◆生物學效應：誘導機體內的某些理化過程及生理效應，恢復病變細胞、組織的正常生理功能，促進藥物吸收。治療後，配合聯合用藥3天左右，可使前列腺炎治療更迅速、更到位，特別針對久治不愈的頑固性前列腺炎效果非常明顯。

◆熱效應：在高溫70℃時能使蛋白產生不可逆變性，45℃、46℃和47℃時對各種致病菌能起到殺滅和抑制作用。

厄米一高斯光束的聚焦場特性

光場的聚焦特性一直是光學工作者的課題。Bom和Wlof的名著 “光學原理” 中給出了聚焦場的經典理論。在雷射的許多實際套用中，例如，雷射加工 ( 打孔、切割 )、雷射聚變等都需要將雷射聚焦後使用。

光闌孔徑為無限大時聚焦場特性

在光闌孔徑為無限大 ( 無光闌 ) 的情況下，聚焦後H一G光束的束腰 ( 腰斑 ) 位置位於 △z/ f = 一 1/( 1 十π²N²_G)處 ( 或寫為 ( 15 ) 式 )，負號表示束腰位於幾何焦點與光闌間，其位置與H一G光束的模序m 、n無關。聚 焦後H一G光束的束腰寬度與H一G光束的m、n有關，聚焦後H一G光束的相對焦移和相對光強增量均與H一G光束 的模序m或n (m和n均為偶數 ) 無關，也就是說在無光闌限制情況下，對不同模式的H一G光束TEM_mn( m和n均為 偶數 ) 聚焦後其軸上光強最大點位於軸上同一，其相對光強增量相同。

光闌孔徑為有限尺寸的聚焦場特性

在AST386計算機上用高斯求積法計算了a = 2.0，3.0，N_G=0.5，1.0，1.5的TEM₀₀，TEM₀₂，TEM₂₂的軸上光強分布，N_G=5.0時、TEM₀₀，TEM₂₂，TEM_24，TEM₄₄的相對焦移勻Δf/f 隨截斷參數a的變化情況，N_G= 5.0時 TEM₂₂，TEM₂₄，TEM₄₄的最大光強I_maX ( 歸一化 ) 及幾何焦點處光強I₀隨截斷參數a的變化情況，當截斷參數a≥3.0時，對於同一N_G，TEM₀₀，TEM₀₂，TEM₂₂軸上光強分布是完全相同的，這是因為a≥3.0時相當於光闌孔徑為無限大的情況；就所計算情況而言，相對焦移Δf/f隨N_G的減小而增大，且相對焦移大的其光強次極大值也大。相對焦移與光束的菲涅爾數，截斷參數及光束模式有關。

調控矢量光束聚焦場的反向構建

根據電磁輻射理論和矢量光場積分理論，研究了矢量光束聚焦場特性與聚焦透鏡數值孔徑之間的關係。在透鏡焦場區設定電偶極子陣列和磁偶極子陣列，收集其輻射場並反向聚焦，通過調控與最佳化偶極子陣列參數，反演不同數值孔徑透鏡下的聚焦光場，獲得了聚焦光針場、三維衍射受限光管場隨透鏡數值孔徑的變化規律。

電－磁偶極子輻射場的反向構建聚焦場理論

對於不同數值孔徑的透鏡 L，在聚焦點F近，設定具有特定結構的電、磁偶極子陣列，反向輻射場被透鏡收集。偶極子陣列以焦平面為中心成鏡像對稱，沿軸向排列。電偶極子長度遠小於光波波長，其振盪方向沿z軸；磁偶極子等效為微小載流圓環，圓環半徑遠小於光波波長。

徑向偏振光的聚焦與光針場

在相同的電偶極子數目的條件下，對於不同數值孔徑的系統，通過調節參數因子A_n、d_n以及βn對聚焦光場進行最佳化調節。設定參數初始值A_n=1，d_n=1．5λ，β_n=0。首先固定其他參數，優先調節d_n，觀察軸向強度一維分布圖，選取能夠獲得長焦深和陡峭邊緣斜率的參數值，進而固定選定的偶極子間距，在0～1的範圍內調節A_n 使各電偶極子對附近的峰值強度近似相等，最後微調β_n。

在不同數值孔徑下獲得的聚焦場光強分布，稱之為光針 場。若定義焦深f_DOF為沿軸向最大光強80%以上的軸向寬度，可以看出，隨著數值孔徑從0.9變到 0.7，焦深從 8.12λ降到5.8λ。對此聚焦場，定義半峰全寬_ω1/2為光強占最大光強50%以上的橫向全寬，半峰全寬從 0.49λ增加到1.054λ。可以看出，隨著 NA的減小，軸向偏振分量比重逐漸降低，光針質量變差。這是因為使用大數值孔徑物鏡收集電偶極子輻射場，在入瞳面上的場分布是調控徑向偏振光束。聚焦之後各點的振動方向由於光線的偏折可以分解為縱向分量和徑向分量，位於焦點及焦點附近的光線，所分解的徑向分量能夠相互抵消，只剩縱向分量存在，而遠離焦點的位置，徑向分量仍將保持。因而數值孔徑越小，聚焦之後光場所分解的徑向分量相應增大，縱向分量減少，導致聚焦光束展寬變短，縱向場分量占總場強的百分比減小。

角向偏振光聚焦與衍射受限光管場

角向偏振光聚焦後偏振態不發生改變，焦點附近為中空光場。與電偶極子的調節過程相似，通過調整和最佳化磁偶極子間的 A_n、d_n 以 及β_n 使得中空光場管壁軸向的強度均勻分布，產生具有方位角偏振的中空光管場。數值孔徑的減小使得物鏡對光束的聚焦能力變弱。光管的長度（管壁光強大於80%以上最大光強的軸向長度）遞減，由於數值孔徑與θ_max之間的正弦關係，光管長度遞減的幅度增大。當數值孔徑從NA=0.9變化到0.85、從0.85變化到0.8、從0.8變化到0.7時，光管長度的改變率分別為 1.29%，5.25%和22.16%。

在入瞳面上入射場需具備相位和振幅調控的方位角偏振的模式，強度分布是明暗相間的環帶式，中心為暗 區。從中心向外環明環的強度逐漸變大。相鄰環帶的局域化偏振方向相反。N_A=0.9、0.85、0.8和0.7時環帶數目分別為4，4，4，2。隨著數值孔徑的減小，環帶的寬度逐漸展寬，密集程度減小。

相於光針場，數值孔徑對光管場各參數的影響較小，這是由於經透鏡會聚前後光場的分布始終是純方位角偏振模式，光管的長度隨數值孔徑的減小而變短，光管厚度以及半峰全寬相應有所增加，但由於場分布模式未發生 改變，各參量的變化相對較小。