ベッセルビーム

ベッセルビームは、その振幅が第一種ベッセル関数によって記述される波である。^{[1] [2] [3]} 電磁波、音響波、重力波、物質波はすべてベッセルビームの形をとることができる。真のベッセルビームは非回折性である。つまり、伝播するときに回折したり広がったりしない。これは、小さな点に焦点を合わせた後に広がる光（または音）の通常の動作とは対照的である。ベッセルビームは自己修復性もあり、ビームはある点で部分的に遮られても、ビーム軸のさらに下の点で再び形成される。

平面波と同様に、真のベッセルビームは無限であり、無限のエネルギーを必要とするため、生成することはできない。しかし、かなり良い近似を行うことは可能であり、^[4]限られた距離では回折がほとんどまたは全く見られないため、多くの光学用途で重要である。ベッセルビームの近似は、実際には、アキシコンレンズでガウスビームを集束させてベッセルガウスビームを生成するか、軸対称回折格子を使用するか、^[5]または遠視野に狭い環状開口部を配置することによって行われる。^[3]高次ベッセルビームは、スパイラル回折格子によって生成することができる。^[6]

ベッセルビームの特性^{[7] [8]は、}光ピンセットに非常に有用です。狭いベッセルビームは、比較的長いビームセクションにわたって、またピンセットされる誘電体粒子によって部分的に遮蔽された場合でも、必要なタイトフォーカス特性を維持します。同様に、音響ピンセットによる粒子操作は、散乱^{[11] [ 12] [13] [14]し、波動場とその経路に沿って配置された粒子との間の音響運動量の交換から生じる}放射力を生成するベッセルビームによって達成されました^{[9] [} 10] 。^{[15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23]}

ベッセルビームを記述する数学関数はベッセルの微分方程式の解であり、それ自体は円筒座標におけるラプラス方程式とヘルムホルツ方程式の分離解から生じる。基本的なゼロ次ベッセルビームは原点で振幅が最大になるが、高次ベッセルビーム（HOBB）はビーム軸に沿って軸方向の位相特異点を持ち、そこで振幅はゼロになる。HOBBは渦型（らせん型）または非渦型である。^[24]

X波は一定の速度で伝わるベッセルビームの特殊な重ね合わせであり、光速を超えることもあります。^[25]

マシュービームと放物線（ウェーバー）ビーム^[26]は、ベッセルビームと同じ非回折性と自己修復性を持ちますが、横方向の構造が異なる他のタイプの非回折ビームです。

2012年に理論的に証明され^[27]、実験的に実証された^[28]。ベッセルビームは、初期位相を特別に操作することで、自由空間で任意の軌道に沿って加速させることができる。これらのビームは、標準的なベッセルビームの対称プロファイルと、エアリービームおよびその類似体の自己加速特性を組み合わせたハイブリッドと考えることができる。加速ベッセルビームを生成するためのこれまでの取り組みには、らせん状^[29]および正弦波状^[30]の軌道を持つビーム、および部分的に直線的な軌道を持つビームの初期の取り組みが含まれていた。^[31]

ビームは物質を通過する際に損失に遭遇し、ビーム強度が減衰することがある。エアリービームやベッセルビームなどの非回折（または伝播不変）ビームに共通する特性は、ビームの他の特性を大幅に変更することなく、ビームの縦方向の強度エンベロープを制御できることである。これを利用して、移動するにつれて強度が増すベッセルビームを作成し、損失を相殺して、伝播するビームの強度を一定に保つことができる。^{[32] [33]}

光シート蛍光顕微鏡法では、非回折（または伝播不変）ビームを利用して、長さ全体にわたってサイズが大きく変化しない非常に長く均一な光シートを生成しています。ベッセルビームの自己修復特性により、散乱組織を通過した後のビーム形状の歪みがガウスビームよりも少ないため、深部での画質が向上することも示されています。ベッセルビームベースの光シート顕微鏡法は2010年に初めて実証されましたが^[34]、それ以来多くのバリエーションが続いています。2018年には、減衰補償の使用をベッセルビームベースの光シート顕微鏡法に適用でき、生物標本内のより深部でのイメージングが可能になることが示されました。^[35]

ベッセルビームは、横断面における圧力の最大値と最小値の同心円のため、選択的トラッピングに適しています。

• Mikutis, M.; Kudrius, T.; Šlekys, G .; Paipulas, D.; Juodkazis, S. (2013). 「フェムト秒ガウスベッセルレーザービームにより溶融シリカに形成された 90% の高効率ブラッグ格子」。Optical Materials Express。3 ( 11 ): 1862。Bibcode : 2013OMExp...3.1862M。doi :10.1364/OME.3.001862。hdl : 1959.3/364652。

• 新しい顕微鏡が生きた細胞の 3D 動画を撮影 gizmag.com (切り替え式ベッセルビームをリアルタイム顕微鏡で効果的に使用)
• 科学者らはレーザーで「トラクタービーム」が可能だと主張
• 超音波 (ゼロ次) ベッセル ビーム プロファイル - 表紙画像 (2002 年 4 月発行の IEEE Trans. Ultrason. Ferr. Freq. Ctrl.)