一种基于空间偶极子阵的三维多焦斑阵列的产生方法技术

本发明专利技术涉及一种基于空间偶极子阵的三维多焦斑阵列的产生方法，首先采用两个高数值孔径（NA，Numerical Aperture）透镜组成4π聚焦系统；接着在4π聚焦系统的焦区放置一虚拟的空间偶极子阵；然后两个所述高数值孔径透镜将空间偶极子阵的全部辐射场从像空间完全收集并准直到光瞳面，通过求解逆问题得到光瞳面上的电场分布；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区附近产生具有预定特性的三维多焦斑阵列。本发明专利技术利用空间偶极子阵列的辐射场产生三维多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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间偶极子阵的三维多焦斑阵列的产生方法
本专利技术涉及三维多焦斑阵列的产生
，特别是一种基于空间偶极子阵的三维多焦斑阵列的产生方法。
技术介绍
在高数值孔径(NA)透镜紧聚焦下形成的亚波长焦斑，在显微镜、光学数据存储、激光微纳加工、高分辨光学成像等方面具有重要的应用。因此，从数值和实验上已经报道了许多用于产生焦斑的方法。例如，在较早时期，学者们重点研究在焦区附近沿光轴产生一个焦斑或多个焦斑，即一维光斑阵列。然而，在一些特定的应用场合，例如并行成像和多点加工，需要使用二维焦斑阵列，因其具有高效率、并行性和同时性的内在特质。于是，学者们提出了许多方法，在高数值孔径(NA)透镜的横向焦面上直接实现二维多焦斑阵列。其中，一类是采用光学元件，如分束器、微透镜阵列和衍射光学元件，将入射光束分成多个光束。另一类是在光学聚焦系统中插入光调制器对矢量光束进行调控，从而形成多光斑阵列。此外，近年来在焦区构建三维光斑阵列，引起了广泛的关注，其原因在于其拥有许多实际应用，如多个平面上的粒子捕获和操纵、超材料加工制造等方面。比如，2012年，J.Yu等人论证了一个产生三维焦斑阵列的方案，它使用两个相分离的微光学元件和一个达曼波带板联合传统的二维达曼光栅。2014年，基于矢量德拜的三维傅立叶变换方法，H.Ren等人报道了高质量的德拜衍射受限三维多焦斑阵列的产生方法。外形可控的三维多焦斑阵列还可由二维纯相位调制光栅结合一个纯相位附加轴移调制器来实现。最近，利用由许多环形子区组成的环形分区相位带产生位置可控的三维动态多焦斑。然而，上述实现三维多焦斑阵列的方法都存在一个局限性，那就是需要冗长的迭代优化过程。因此缺乏简易性和灵活性，并且生成的三维焦斑的均匀性、数量、位置和间距不易控制。在某些特定场合，需要使用具有强度均匀、数量可控和位置与间距可定制的三维多焦斑阵列。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提出一种基于空间偶极子阵的三维多焦斑阵列的产生方法，由该方法所产生的多焦斑阵列具有相同强度、可控数量、可预定的位置与间隔的特点。本专利技术采用以下方案实现：一种基于空间偶极子阵的三维多焦斑阵列的产生方法，具体包括以下步骤：步骤S1：采用两个高数值孔径(NA)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聚焦系统的焦区放置一虚拟的空间偶极子阵；其中，所述空间偶极子阵由M×N×Q个阵元分别沿着X轴、Y轴和Z轴放置的电偶极子构成；步骤S3：两个所述高数值孔径透镜将空间偶极子阵的全部辐射场从像空间完全收集并准直到光瞳面，通过求解逆问题得到光瞳面上的电场分布；步骤S4：将步骤S3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区附近产生具有预定特性的三维多焦斑阵列。进一步地，步骤S2中，所述空间偶极子阵的元因子和阵因子分别表示为：式中，k＝2π/λ为波数，xm、yn和zq代表第(m、n、q)个偶极子的笛卡尔坐标；是球坐标，其中θ是辐射方向与Z轴(光轴)之间的夹角，是方位角；根据方向图乘积原理，将偶极子阵列的辐射方向图写为：进一步地，由式(2)推导得到平面偶极子阵的阵因子表示为：其中，式(3)为XY平面上的平面偶极子阵的阵因子，式(4)为YZ平面上的平面偶极子阵的阵因子，式(5)为XZ平面上的平面偶极子阵的阵因子。进一步地，由式(2)推导得到直线偶极子阵的阵因子表示为：其中，式(6)为沿着X轴排列的直线偶极子阵的阵因子，式(7)为沿Y轴排列的直线偶极子阵的阵因子，式(8)为沿Z轴排列的直线偶极子阵的阵因子。进一步地，由式(2)推导得到一组放置在三维空间任意位置的偶极子的阵因子表示为：进一步地，步骤S3中，所述空间偶极子阵的全部辐射场即偶极子阵在远区的总辐射电场分布为：式中，C为系数，表示沿θ方向的单位矢量，表示偶极子阵列的辐射方向图；如果高数值孔径透镜满足亥姆霍兹条件，则切趾函数P(θ)为：由此，光瞳面上的电场分布通过下式计算得到：式中，是光瞳面上的极坐标，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，步骤S4中，所述在高数值孔径透镜的焦区附近产生具有预定特性的三维焦斑阵列，其焦场分布利用矢量德拜积分(vectorialDebyeintegral)公式求得：式中，φ＝cos-1(x/r)。与现有技术相比，本专利技术有以下有益效果：本专利技术利用空间偶极子阵列的辐射场产生三维多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由M×N×Q个电偶极子单元构成的空间偶极子阵列。图1(b)为本专利技术实施例的由两个相对的高数值孔径(NA)透镜构成的4π聚焦系统。其中，空间偶极子阵(由三个贴片表示)沿着光轴(Z轴)放置于系统焦点的中央。图2为本专利技术实施例的产生三维单焦斑示意图。其中，(a)为处于焦区附近的焦斑的三维等强度分布(I＝0.5Imax)。(b)，(c)和(d)分别绘出了单焦斑在XY面，YZ面和XZ面的投影。图3为本专利技术实施例的产生任意位置的三维多焦斑。其中，(a)为位于(-λ,λ,λ)和(λ,-λ,-λ)的两焦斑；(b)为位于(-λ,-λ,-λ)，(0,0,0)，和(λ,λ,λ)的三个焦斑；(c)为位于(λ,λ,-λ)，(-λ,λ,λ)，(-λ,-λ,λ)，和(λ,-λ,λ)的四个焦斑。图4为本专利技术实施例的产生多焦斑直线阵。其中，(a)为三个焦斑分别位于x1＝-λ，x2＝0，x3＝λ；(b)为三个焦斑分别位于y1＝-λ，y2＝0，y3＝λ；(c)为三个焦斑分别位于z1＝-λ，z2＝0，z3＝λ。图5为本专利技术实施例的产生多焦斑平面阵。其中，(a)为位于XY平面的2×3焦斑平面阵，x1＝-λ，x2＝λ，y1＝-λ，y2＝0和y3＝λ；(b)为位于YZ平面的3×2焦斑平面阵，y1＝-λ，y2＝0，y2＝λ，z1＝-λ和z2＝λ；(c)为位于XZ平面的2×2焦斑平面阵，x1＝-λ，x2＝λ，z1＝-λ和z2＝-λ。图6为本专利技术实施例的产生多焦斑空间阵。其中，(a)为2×2×2焦斑空间阵，位于x1＝-λ，x2＝λ，y1＝-λ，y2＝λ，z1＝-λ和z2＝λ；(b)为3×2×2焦斑空间阵，位于x1＝-λ，x2＝0，x3＝λ，y1＝-λ，y2＝λ，z1＝-λ和z2＝λ；(c)为2×3×2焦斑空间阵，位于x1＝-λ，x2＝λ，y1＝-λ，y2＝0，y3＝λ，z1＝-λ和z2＝λ。图7为本专利技术实施例中在归一化光瞳面上用于实现图6中(a)的焦斑所需要的归一化入射场分布示意图。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基于空间偶极子阵的三维多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空间偶极子阵的三维多焦斑阵列的产生方法，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聚焦系统的焦区放置一虚拟的空间偶极子阵；其中，所述空间偶极子阵由M×N×Q个阵元分别沿着X轴、Y轴和Z轴放置的电偶极子构成；步骤S3：两个所述高数值孔径透镜将空间偶极子阵的全部辐射场

【技术特征摘要】
1.一种基于空间偶极子阵的三维多焦斑阵列的产生方法，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聚焦系统的焦区放置一虚拟的空间偶极子阵；其中，所述空间偶极子阵由M×N×Q个阵元分别沿着X轴、Y轴和Z轴放置的电偶极子构成；步骤S3：两个所述高数值孔径透镜将空间偶极子阵的全部辐射场从像空间完全收集并准直到光瞳面，通过求解逆问题得到光瞳面上的电场分布；步骤S4：将步骤S3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区附近产生具有预定特性的三维多焦斑阵列。2.根据权利要求1所述的一种基于空间偶极子阵的三维多焦斑阵列的产生方法，其特征在于：步骤S2中，所述空间偶极子阵的元因子和阵因子分别表示为：式中，k＝2π/λ为波数，xm、yn和zq代表第(m、n、q)个偶极子的笛卡尔坐标；是球坐标，其中θ是辐射方向与Z轴之间的夹角，是方位角；根据方向图乘积原理，将偶极子阵列的辐射方向图写为：3.根据权利要求2所述的一种基于空间偶极子阵的三维多焦斑阵列的产生方法，其特征在于：由式(2)推导得到平面偶极子阵的阵因子表示为：其中，式(3)为XY平面上的平面偶极子阵的阵因子，式(4)为YZ平面上的平面偶极子阵的阵因子...

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