对环形艾里光束焦距的高精度操控

为精细任务提供更锐利的光

从眼科手术到纳米级三维打印，许多现代技术依赖必须以极高精度聚焦的激光束。即便束光应聚集的位置与实际聚焦位置存在极小偏差，也可能导致健组织受损、图像模糊或微型零件成形不良。本文针对一种特殊类型的激光束——环形艾里光束——提出了解决方案，展示了如何比以往更高精度地控制其焦点。

一种奇特的光束

与形成简单亮点的常见激光指示器不同，艾里光束是一种具有结构性的光模式，它在传播时可以弯曲并在遇到障碍后自我修复。当这种模式被包裹成一圈时，就形成了环形艾里光束。这类光束在前进路径上保持较暗，而在某个距离突然将能量集中到一个紧密的区域，像是只在选定距离才闪烁的相机闪光灯。这一奇特行为使其在必须保护周围组织的医疗程序、精密钻切、高分辨率显微镜，甚至用于温和捕获和操控微小颗粒等领域具有吸引力。

焦点为何不断偏移

设计者通常用将光视为沿完美抛物线行进的直射光线的几何规则来描述环形艾里光束。在这种图景中，焦点就是弯曲路径与光轴相交的位置。但真实的光是波动的，当它发生衍射——扩散和弯曲时——其真实的聚焦位置会偏离这一几何交点。早期工作试图考虑衍射，但仍然留下系统性误差：设计的焦距可能与实际焦距相差几个百分点。对于以人类细胞或微米级特征为工作尺度的应用，这样的误差远不能接受。

建立更诚实的光束模型

作者使用菲涅尔衍射重新审视了聚焦问题，这是一种基于波的描述，说明光通过有图案的薄板后如何传播。他们推导出相位图案——薄板如何延迟光波的峰与谷——如何塑造光束路径和最终焦点。一个关键见解是，环形相位区域的内缘和外缘都会强烈影响能量实际集中的位置。通过对波的相位做数学展开并分析期望焦点周围小位移如何改变场分布，他们得到了真实焦距的修正表达式。随后他们把这转化为简单的设计规则：限制修正项的最大允许值，以及相位区域外半径必须超过的最小尺寸，以确保足够的光线在目标点相干叠加。

从方程到实际的纳米工程透镜

在这些准则的指导下，团队设计了一个焦距精确为十厘米的环形艾里光束。他们共同优化了多项参数，例如光束轨迹以及相位板的内外半径，以同时满足新的约束和目标焦距。所需的相位图案随后被编码到超表面上——一种在玻璃上的平面纳米结构硅层，由微小的矩形柱组成，这些柱子像微型天线一样作用于光。通过将每个柱子旋转到精确选择的角度，研究者在保持高效率的同时在表面上刻画出所需的相位延迟。

检验光束的表现

作者首先用一种数值方法模拟光束传播，跟踪其空间频谱如何随距离演化。这些计算显示环形艾里光束沿其特征性的抛物线路径传播，并在10.034厘米处达到峰值强度，仅比目标10厘米偏差0.34%。随后他们制造了超表面，并在实验室中用基于显微镜的成像系统和精密移动的滑台测量光束。在二十次重复测量中，焦点稳定地落在10.04厘米处，与设计相比偏差为0.4%。对比而言，仅依赖旧的几何方法时，表观焦点位于9.553厘米，偏差为4.47%——比改进后的方法差十倍以上。

对现实应用的意义

简而言之，这项研究表明，通过尊重光的波动性和相位板的有限尺寸，可以将环形艾里光束的焦距调控到亚百分位的精度。新模型不再把焦点视为一个简单的几何交点，而是承认光束整形器的边缘会产生影响，并将这一认识转化为清晰的设计规则。更精确的控制可以带来更可靠的激光手术以保护健康组织、更干净且更深的微加工切割、先进显微镜中更清晰的图像，以及更稳定的微粒光学捕获。将聚焦误差从几个百分点缩小到不到半个百分点，这项工作使环形艾里光束更接近成为高精度科技和工程中实用的日常工具。

引用: Zhang, J., Zhang, W., Li, W. et al. Highly-accurate manipulation of focal length for circular Airy beams. npj Nanophoton. 3, 17 (2026). https://doi.org/10.1038/s44310-026-00112-w

关键词: 环形艾里光束, 精确激光聚焦, 超表面, 衍射建模, 高精度光学