Haz de Bessel
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Evolución de una viga de Bessel.
Diagrama de axicón y haz de Bessel resultante
Sección transversal del haz de Bessel y gráfico de intensidad
Haz de Bessel que vuelve a formar el área brillante central después de la obstrucción

Un rayo de Bessel es una onda cuya amplitud se describe mediante una función de Bessel del primer tipo . [1] [2] [3] Las ondas electromagnéticas , acústicas , gravitacionales y de materia pueden tener la forma de haces de Bessel. Un verdadero haz de Bessel no es difractivo. Esto significa que a medida que se propaga, no se difracta ni se extiende; esto contrasta con el comportamiento habitual de la luz (o el sonido), que se extiende después de enfocarse hacia un punto pequeño. Los rayos de Bessel también son autocurables , lo que significa que el rayo puede obstruirse parcialmente en un punto, pero se volverá a formar en un punto más abajo del eje del rayo..

Al igual que con una onda plana , no se puede crear un verdadero rayo de Bessel, ya que no tiene límites y requeriría una cantidad infinita de energía . Sin embargo, se pueden hacer aproximaciones razonablemente buenas [4] , y estas son importantes en muchas aplicaciones ópticas porque exhiben poca o ninguna difracción en una distancia limitada. En la práctica, las aproximaciones a los haces de Bessel se hacen enfocando un haz de Gauss con una lente axicón para generar un haz de Bessel-Gauss, usando rejillas de difracción simétricas de eje , [5] o colocando una abertura anular estrecha en el campo lejano .[3] Los haces de Bessel de alto orden se pueden generar mediante rejillas de difracción en espiral . [6]

Propiedades

Las propiedades de los haces de Bessel [7] [8] los hacen extremadamente útiles para pinzas ópticas , ya que un haz de Bessel estrecho mantendrá su propiedad requerida de enfoque estrecho sobre una sección relativamente larga del haz e incluso cuando estén parcialmente ocluidos por las partículas dieléctricas que se pinzan. . De manera similar, la manipulación de partículas con pinzas acústicas se logró [9] [10] con un haz de Bessel que dispersa [11] [12] [13] [14] y produce una fuerza de radiación resultante del intercambio de momento acústico entre el campo de ondas y una partícula colocada a lo largo de su camino. [15] [16] [17] [18][19] [20] [21] [22] [23]

La función matemática que describe una viga de Bessel es una solución de la ecuación diferencial de Bessel , que a su vez surge de soluciones separables a la ecuación de Laplace y la ecuación de Helmholtz en coordenadas cilíndricas. El haz de Bessel de orden cero fundamental tiene una amplitud máxima en el origen, mientras que un haz de Bessel de orden superior (HOBB) tiene una singularidad de fase axial a lo largo del eje del haz; la amplitud es cero allí. Los HOBB pueden ser de tipo vórtice (helicoidal) o sin vórtice. [24]

Las ondas X son superposiciones especiales de haces de Bessel que viajan a velocidad constante y pueden exceder la velocidad de la luz . [25]

Las vigas Mathieu y las vigas parabólicas (Weber) [26] son otros tipos de rayos no difractivos que tienen las mismas propiedades no difractivas y autocurativas de los rayos Bessel pero diferentes estructuras transversales.

Aceleración

En 2012 se demostró teóricamente [27] y se demostró experimentalmente [28] que, con una manipulación especial de su fase inicial, los haces de Bessel pueden acelerarse a lo largo de trayectorias arbitrarias en el espacio libre. Estas vigas pueden considerarse híbridas que combinan el perfil simétrico de una viga Bessel estándar con la propiedad de autoaceleración de la viga Airy y sus contrapartes. Los esfuerzos anteriores para producir vigas Bessel aceleradas incluyeron vigas con trayectorias helicoidales [29] y sinusoidales [30] , así como el esfuerzo inicial para vigas con trayectorias rectas por partes. [31]

Atenuación-compensación

Los haces pueden encontrar pérdidas a medida que viajan a través de materiales, lo que provocará una atenuación de la intensidad del haz. Una propiedad común de los haces que no difractan (o invariantes en la propagación), como el haz de Airy y el haz de Bessel, es la capacidad de controlar la envolvente de intensidad longitudinal del haz sin alterar significativamente las otras características del haz. Esto se puede utilizar para crear haces de Bessel que aumentan en intensidad a medida que viajan y se pueden utilizar para contrarrestar pérdidas, manteniendo así un haz de intensidad constante a medida que se propaga. [32] [33]

Aplicaciones

Imágenes y microscopía

En la microscopía de fluorescencia de hoja de luz , se han utilizado haces que no difractan (o invariantes en la propagación) para producir hojas de luz muy largas y uniformes que no cambian de tamaño significativamente a lo largo de su longitud. También se ha demostrado que la propiedad de autocuración de los haces de Bessel proporciona una calidad de imagen mejorada en profundidad, ya que la forma del haz se distorsiona menos después de viajar a través del tejido de dispersión que un haz gaussiano. La microscopía de hoja de luz basada en haces de Bessel se demostró por primera vez en 2010 [34], pero desde entonces se han producido muchas variaciones. En 2018, se demostró que el uso de la compensación de atenuación podría aplicarse a la microscopía de hoja de luz basada en haces de Bessel y podría permitir la obtención de imágenes a mayores profundidades dentro de muestras biológicas. [35]

Acustofluidos

Las vigas de Bessel son un buen candidato para el atrapamiento selectivo debido a los círculos concéntricos de presión máxima y mínima en los planos transversales.

Referencias

  1. ↑ Garcés-Chávez, V .; McGloin, D .; Melville, H .; Sibbett, W .; Dholakia, K. (2002). "Micromanipulación simultánea en múltiples planos utilizando un haz de luz auto-reconstruible". Naturaleza . 419 (6903): 145–7. Código Bibliográfico : 2002Natur.419..145G . doi : 10.1038 / nature01007 . PMID  12226659 . S2CID  4426776 .
  2. ^ McGloin, D .; Dholakia, K. (2005). "Haz de Bessel: difracción bajo una nueva luz". Física contemporánea . 46 (1): 15-28. Código bibliográfico : 2005ConPh..46 ... 15M . doi : 10.1080 / 0010751042000275259 . S2CID 31363603 . 
  3. ↑ a b Durnin, J. (1987). "Haces sin difracción". Cartas de revisión física . 58 (15): 1499–1501. Código Bibliográfico : 1987PhRvL..58.1499D . doi : 10.1103 / PhysRevLett.58.1499 . PMID 10034453 . 
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  5. ↑ Jiménez, N .; et al. (2014). "Formación de haz acústico similar a Bessel mediante una rejilla simétrica de eje". Cartas de Europhysics . 106 (2): 24005. arXiv : 1401.6769 . Código bibliográfico : 2014EL .... 10624005J . doi : 10.1209 / 0295-5075 / 106/24005 . S2CID 55703345 . 
  6. ↑ Jiménez, N .; et al. (2016). "Formación de haces de Bessel acústicos de alto orden mediante rejillas de difracción en espiral". Revisión E física . 94 (5): 053004. arXiv : 1604.08353 . Código Bibliográfico : 2016PhRvE..94e3004J . doi : 10.1103 / PhysRevE.94.053004 . PMID 27967159 . S2CID 27190492 .  
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Otras lecturas

  • Mikutis, M .; Kudrius, T .; Šlekys, G .; Paipulas, D .; Juodkazis, S. (2013). "Rejillas de Bragg de alta eficiencia del 90% formadas en sílice fundida por rayos láser de femtosegundo Gauss-Bessel". Materiales ópticos Express . 3 (11): 1862. Bibcode : 2013OMExp ... 3.1862M . doi : 10.1364 / OME.3.001862 . hdl : 1959.3 / 364652 .

enlaces externos

  • El nuevo microscopio captura películas en 3D de células vivas gizmag.com (los haces de Bessel conmutados se utilizan de forma eficaz en microscopía en tiempo real)
  • El 'rayo tractor' es posible con láseres, dicen los científicos
  • Ultrasonido (orden cero) Perfil de haz de Bessel - Imagen de portada (Edición de abril de 2002 de IEEE Trans. Ultrason. Ferr. Freq. Ctrl.)
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