一种利用平面天线阵的辐射场产生二维同一焦斑阵列的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用平面天线阵的辐射场产生二维同一焦斑阵列的方法，本发明专利技术首先采用两个高数值孔径透镜组成4π聚焦系统；然后在由两个高数值孔径透镜组成的4π聚焦系统的焦平面中央排列一个虚拟的平面天线阵；该天线阵辐射的电磁场向外传播到达像空间侧的透镜，并被两个所述高数值孔径透镜完全收集，接着继续传播到两个透镜的光瞳面上，得到光瞳面上的场分布；最后将光瞳面上的场分布视为入射场并逆向传输到焦区，在高数值孔径透镜的焦平面上产生具有预定特性的二维同一焦斑阵列。本发明专利技术采用无需优化的方法来生成具有预定数量、间距和位置的二维同一焦斑阵列。

A Method of Generating Two-Dimensional Same Focal Spot Array by Using the Radiation Field of Planar Antenna Array

The invention relates to a method for generating two-dimensional identical focal spot array by using the radiation field of a planar antenna array. Firstly, two high numerical aperture lenses are used to form a 4Pi focusing system; then a virtual planar antenna array is arranged in the center of the focal plane of the 4Pi focusing system composed of two high numerical aperture lenses; and the electromagnetic field radiated by the antenna array propagates outward to the image space side. The lens is completely collected by the two high numerical aperture lenses, and then propagates to the pupil surface of the two lenses to obtain the field distribution on the pupil surface. Finally, the field distribution on the pupil surface is regarded as the incident field and conversely transmitted to the focal area, and a two-dimensional focal spot array with predetermined characteristics is generated on the focal plane of the high numerical aperture lens. The invention adopts a method without optimization to generate a two-dimensional identical focal spot array with a predetermined number, spacing and position.

【技术实现步骤摘要】
一种利用平面天线阵的辐射场产生二维同一焦斑阵列的方法
本专利技术涉及二维焦斑阵列的产生
，特别是一种利用平面天线阵的辐射场产生二维同一焦斑阵列的方法。
技术介绍
由高数值孔径(NA)透镜紧聚焦下产生的亚波长焦斑得到广泛的研究，因其在光学显微镜、光镊、光子捕获与操纵、单分子荧光光谱等方面有着重要应用。此外，在某些并行和同步处理的特定场合，需要一个特性可控的二维焦斑阵列。因此，许多创建二维焦斑阵列的方法被提出来。在2000年，D.Fittinghoff等人提出了使用级联分束器的方法产生一个8×2的时间非相关焦斑阵列。2011年，H.Guo等人利用由非均匀偏振调制的两个正交偏振光束组成的复合矢量光束来控制焦斑数量和主偏振场。2013年，M.Cai等人在数值和实验上验证了由结构矢量光场紧聚焦后亚波长多焦斑的产生和调节；同年，J.Bar-David等人提出了一种产生径向偏振等离激元焦斑周期阵列的方法。2014年，L.Zhu等人提出了一种在透镜的后孔径处利用特殊设计的分形Talbor效应进行纯相位调制实现多焦斑阵列的方法；同年，K.Prabakaran等人提出建议，将贝塞尔-高斯光束经过复相位滤波，再用高数值孔径透镜紧聚焦后，便可产生多段亚波长焦斑。2015年，D.Zhang等人提出了一种利用径向偏振贝塞尔-高斯光束构建位置和偏振方向可控的多焦点阵列。上述所报道的方法通常需要优化设计光学元件，从而达不到最佳效果。此外，上述方法所产生的阵列中的焦斑强度分布不够均匀，且焦斑的数量和位置不易操控。为了克服上述方法的局限性，我们提出了一种无需优化的方法来生成具有预定数量、间距和位置的二维同一焦斑阵列。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提出一种利用平面天线阵的辐射场产生二维同一焦斑阵列的方法，采用无需优化的方法来生成具有预定数量、间距和位置的二维同一焦斑阵列。本专利技术采用以下方案实现：一种利用平面天线阵的辐射场产生二维同一焦斑阵列的方法，包括以下步骤：步骤S1：采用两个高数值孔径透镜组成4π聚焦系统；步骤S2：在步骤S1的由两个高数值孔径(NA)透镜组成的4π聚焦系统的焦平面(XY平面)中央排列一个虚拟的平面天线阵；该天线阵辐射的电场向外传播到达像空间侧的透镜，并被两个所述高数值孔径透镜完全收集，接着继续传播到两个透镜的光瞳面上，得到光瞳面上的场分布其中，是球坐标，是光瞳面上的极坐标，θ表示辐射方向与Z轴(光轴)之间的夹角，表示方位角，ρ表示极径；步骤S3：将步骤S2中的光瞳面上的场分布视为入射场并逆向传输到焦区，在高数值孔径透镜的焦平面上产生具有预定特性的二维同一焦斑阵列。进一步地，步骤S2中，所述天线阵辐射的电场采用下式表示：式中，C0是与辐射方向图无关的系数，是沿θ方向的单位矢量，是元因子，是阵因子；对于电基本振子单元，对于遵从亥姆霍兹条件的透镜，在球面波前上的投影函数g(θ)和切趾函数P(θ)为：g(θ)＝tanθ；则光瞳面上的场分布由下式计算得到：式中，表示方位角，表示X轴方向的单位矢量，表示Y轴方向的单位矢量。进一步地，如果平面天线阵是一个沿X轴和Y轴排布的M×N个单元的矩形阵，则阵因子表示为：式中，k＝2π/λ是波数，dx和dy分别代表相邻元素沿X轴和Y轴之间的行和列间距，M表示沿X轴排列的阵元个数，N表示沿Y轴排列的阵元个数；如果平面天线阵为沿圆周排列而成的圆形阵，则阵因子表示为：式中，R表示圆形阵列的半径，Q表示沿圆周排列的阵元个数，是第q个阵元的方位角。进一步地，步骤S3中，焦平面上的焦场分布为：式中，φ＝cos-1(x/r)，C1是振幅常数，Ex(r,φ,z)、Ey(r,φ,z)和Ez(r,φ,z)分别表示在焦平面上观察点(r,φ,z＝0)处X、Y、Z方向场分量。与现有技术相比，本专利技术有以下有益效果：本专利技术利用平面天线阵的辐射场产生二维同一焦斑阵列时无需冗长的迭代优化过程，且每个焦斑外形和强度相同，数量可控，位置和间隔可定制。附图说明图1(a)为本专利技术实施例的4π聚焦结构，其中，平面天线阵以两个高数值孔径(NA)透镜的焦点为中心沿XY平面放置。图1(b)为本专利技术实施例的由M×N个阵元组成的矩形天线阵示意图。图1(c)为本专利技术实施例的由Q个阵元排列而成的圆形天线阵示意图。图2为本专利技术实施例的矩形焦斑阵列。图2中，(a)为2×3焦斑阵列，(b)为3×2焦斑阵列，(c)为3×3焦斑阵列。图3为本专利技术实施例的对角线焦斑阵列。图3中，(a)为右对角线焦斑阵列，(b)为左对角线焦斑阵列，(c)为V形焦斑阵列。图4为本专利技术实施例的正多边形焦斑阵列。图4中，(a)为正五边形焦斑阵列，(b)为正六边形焦斑阵列，(c)为正八边形焦斑阵列。图5为本专利技术实施例的圆形焦斑阵列。图5中，分别沿半径R＝3λ，3.5λ和4λ的圆周排列的(a)均匀六焦斑阵列，(b)均匀八焦斑阵列，和(c)非均匀八焦斑阵列。图6为本专利技术实施例的在归一化光瞳面上，产生均匀八焦斑圆形阵列(见图5(b))所需的归一化入射场分布。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。本实施例提供了一种利用平面天线阵的辐射场产生二维同一焦斑阵列的方法，包括以下步骤：步骤S1：采用两个高数值孔径透镜(NA)组成4π聚焦系统；步骤S2：在步骤S1的由两个高数值孔径(NA)透镜组成的4π聚焦系统的焦平面(XY平面)中央排列一个虚拟的平面天线阵，如图1(a)所示；该天线阵辐射的电场向外传播到达像空间侧的透镜，并被两个所述高数值孔径透镜完全收集，接着继续传播到两个透镜的光瞳面上，得到光瞳面上的场分布其中，是球坐标，是光瞳面上的极坐标，θ表示辐射方向与Z轴(光轴)之间的夹角，表示方位角，ρ表示极径；步骤S3：将步骤S2中的光瞳面上的场分布视为入射场并逆向传输到焦区，在高数值孔径透镜的焦平面上产生具有预定特性的二维同一焦斑阵列。在本实施例中，步骤S2中，根据方向图乘积原理，所述天线阵辐射的电场采用下式表示：式中，C0是与辐射方向图无关的系数，是沿θ方向的单位矢量，是元因子，是阵因子；对于电基本振子单元，对于遵从亥姆霍兹条件的透镜，在球面波前上的投影函数g(θ)和切趾函数P(θ)为：g(θ)＝tanθ；则光瞳面上的场分布由下式计算得到：式中，表示方位角，表示X轴方向的单位矢量，表示Y轴方向的单位矢量。在本实施例中，如果平面天线阵是一个沿X轴和Y轴排布的M×N个单元的矩形阵，如图1(b)所示，则阵因子表示为：式中，k＝2π/λ是波数，dx和dy分别代表相邻元素沿X轴和Y轴之间的行和列间距，M表示沿X轴排列的阵元个数，N表示沿Y轴排列的阵元个数；阵列网格(或晶格)可以具有相等或不相等的行和列间距。如果平面天线阵为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用平面天线阵的辐射场产生二维同一焦斑阵列的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：采用两个高数值孔径透镜组成4π聚焦系统；步骤S2：在步骤S1的由两个高数值孔径透镜组成的4π聚焦系统的焦平面中央排列一个虚拟的平面天线阵；该天线阵辐射的电场

【技术特征摘要】
1.一种利用平面天线阵的辐射场产生二维同一焦斑阵列的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：采用两个高数值孔径透镜组成4π聚焦系统；步骤S2：在步骤S1的由两个高数值孔径透镜组成的4π聚焦系统的焦平面中央排列一个虚拟的平面天线阵；该天线阵辐射的电场向外传播到达像空间侧的透镜，并被两个所述高数值孔径透镜完全收集，接着继续传播到两个透镜的光瞳面上，得到光瞳面上的场分布其中，是球坐标，是光瞳面上的极坐标，θ表示辐射方向与Z轴之间的夹角，表示方位角，ρ表示极径；步骤S3：将步骤S2中的光瞳面上的场分布视为入射场并逆向传输到焦区，在高数值孔径透镜的焦平面上产生具有预定特性的二维同一焦斑阵列。2.根据权利要求1所述的一种利用平面天线阵的辐射场产生二维同一焦斑阵列的方法，其特征在于：步骤S2中，所述天线阵辐射的电场采用下式表示：式中，C0是与辐射方向图无关的系数，是沿θ方向的单位矢量，是元因子，是阵因子；对于电基本振子单元，对于遵从亥姆霍兹条件的透镜，在球面波前上的投影函数g(...

【专利技术属性】
技术研发人员：余燕忠，储贻波，
申请(专利权)人：泉州师范学院，
类型：发明
国别省市：福建,35