基于旋转场天线的辐射场产生可旋转光学焦场的方法技术

本发明专利技术提出一种基于旋转场天线的辐射场产生可旋转光学焦场的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：两个相互垂直且相位差90°的偶极子组成的虚拟旋转场天线置于4π聚焦系统的焦平面中心，使所述虚拟旋转场天线辐射的电磁场被两个相对的高数值孔径透镜完全会聚并准直到光瞳平面上；步骤S2：所述两个相对的高数值孔径透镜将两束相差180°的入射场聚焦到其光学焦平面上。本发明专利技术方法所产生的“8”字型光学焦场的强度分布随着时间在焦平面上围绕光轴以圆频率ω旋转。该旋转光焦场在粒子旋转，粒子加速和近场扫描光学显微镜等方面有重要的应用价值。

A Method of Generating Rotating Optical Focal Field Based on Radiation Field of Rotating Field Antenna

【技术实现步骤摘要】
基于旋转场天线的辐射场产生可旋转光学焦场的方法
本专利技术属于光学领域，尤其涉及一种基于旋转场天线的辐射场产生可旋转光学焦场的方法。
技术介绍
当前，矢量光场紧聚焦后产生的独特焦场因在光学捕获与控制、光学显微镜、光学微加工等诸多方面具有很好的应用前景，而得到广泛的关注。现有的多种独特的光学焦场分布，如光针、球形光斑、光管、光链、光泡、平顶焦等，在理论和实验上均有报道。但上述已有实现方法的光学焦场的强度分布均是静态的，在焦点附近保持不变。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足和空白，基于矢量光场理论和时间反演全息方法，本专利技术提供了一种在4π聚焦系统下产生旋转光学焦场的简便方法。本专利技术具体采用以下技术方案：一种基于旋转场天线的辐射场产生可旋转光学焦场的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：两个相互垂直且相位差90°的偶极子组成的虚拟旋转场天线置于4π聚焦系统的焦平面中心，使所述虚拟旋转场天线辐射的电磁场被两个相对的高数值孔径透镜完全会聚并准直到光瞳平面上；步骤S2：所述两个相对的高数值孔径透镜将两束相差180°的入射场聚焦到其光学焦平面上。进一步地，在步骤S1当中，所述两个相互垂直且相位差90°的偶极子的辐射场分别记为和其中为球坐标；和分别是沿着θ和方向的单位向量，且在球面波前Ω上互相垂直；和是笛卡尔坐标系中的单位向量；CD1和CD2表示与辐射方向图无关的系数；所述两个相对的高数值孔径透镜满足亥姆霍兹条件：r＝ftanθ，从光瞳平面到像空间的投影函数为其中r是光瞳面的径向位置，f是透镜的焦距，由所述两个相互垂直且相位差90°的偶极子的辐射场逆向推导得到光瞳面上的场分布表达式和即：在光瞳平面上，将两个正交且相位差90°的所述光瞳场分布表达式和反转，并视为入射场，改写为：进一步地，在步骤S2当中，所述两束相差180°的入射场记为根据矢量德拜衍射理论，获得焦平面(z＝0)上的聚焦场分布为：其中，A为常数，θmax为与透镜数值孔径相关的辐射角；Er(r,φ),Ez(r,φ)和Eφ(r,φ)分别为焦平面观察点(r,φ)处的径向、纵向和方位角场分量。本专利技术方法所产生的“8”字型光学焦场的强度分布随着时间在焦平面上围绕光轴以圆频率ω旋转。该旋转光焦场在粒子旋转，粒子加速和近场扫描光学显微镜等方面有重要的应用价值。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进一步详细的说明：图1为本专利技术实施例由两个相互垂直且相位差90°的偶极子组成的虚拟旋转场天线示意图；图2为本专利技术实施例产生旋转光学焦场的原理示意图；图3为本专利技术实施例在ωt＝π/6，π/4，π/3和5π/12时，围绕光轴以ωt旋转的右旋光焦场示意图；图4为本专利技术实施例在ωt＝-π/6，-π/4，-π/3和-5π/12时，围绕光轴以ωt旋转的左旋光焦场示意图；图5为本专利技术实施例分量|Ex|2和|Ey|2的幅度示意图；图6为本专利技术实施例沿x轴线扫描|Ey|2分量的归一化强度示意图；图7为本专利技术实施例|Er|2分量的幅度示意图；图8为本专利技术实施例|Ez|2分量的幅度示意图；图9为本专利技术实施例分量的幅度示意图；图10为本专利技术实施例归一化光瞳面上分量归一化入射场分布示意图；图11为本专利技术实施例归一化光瞳面上分量归一化入射场分布示意图。具体实施方式为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：在本实施例中，产生旋转光学焦场的原理图如图1、图2所示，本实施例借助于虚拟旋转场天线的辐射场可以获得所需的入射场。其中虚拟旋转场天线是由两个相互垂直，正交馈电的共面偶极子组成。它可作为VHF和UHF波段的广播收发天线，产生水平极化的全向辐射方向图。在图1当中，给出了由两个相互垂直且相位差90°的偶极子组成的虚拟旋转场天线示意图。图2则基于4π聚焦系统，其中虚拟旋转场天线(用贴片形状表示)位于4π聚焦系统的焦平面中心处。虚拟旋转场天线辐射的电磁场(用黑色虚线箭头标记)被两个相对的高数值孔径透镜完全会聚并准直到光瞳平面。然后，这两束光以相差180°(用灰色虚线箭头标记)反转并紧聚焦到焦平面上(用与黑色虚线箭头反向的灰色箭头标记)。and在球面波前Ω上相互垂直。考虑一个由两个正交的理想无穷小电偶极子组成的虚拟旋转场天线，其电流大小和相位都是均匀分布的，如图1所示。因此，沿着x轴和y轴放置的两个理想偶极子辐射的场分别为和其中为球坐标，和分别是沿着θ和方向的单位向量，它们在球面波前Ω上互相垂直，和是笛卡尔坐标系中的单位向量。CD1和CD2表示与辐射方向图无关的系数。将这个特定的虚拟旋转场天线置于4π聚焦系统的焦平面中心处，如图2所示，它们的辐射场和被两个相对的高数值孔径透镜从像空间(虚拟旋转场天线空间)会聚并准直到光瞳平面上。在此处，可以利用时间反演全息方法推导出光瞳平面上的入射场分布。当高数值孔径透镜满足亥姆霍兹条件时：r＝ftanθ，从光瞳平面到像空间的投影函数为其中r是光瞳面的径向位置，f是透镜的焦距。于是，由两个相互正交的理想偶极子的辐射场，可分别推导出它们的光瞳面上的场分布表达式和即：在光瞳平面上，将这两个正交且相位差90°的光瞳场和反转，并视为入射场，可以改写为：最后，两束相差180°的入射场被两个高数值孔径透镜紧聚焦到其光学焦平面上。根据矢量德拜衍射理论，可以计算出焦平面(z＝0)上的聚焦场分布为：式中A为常数，θmax为与透镜数值孔径相关的辐射角。Er(r,φ),Ez(r,φ)和Eφ(r,φ)分别为焦平面观察点(r,φ)处的径向、纵向和方位角场分量。可以发现分量对Er和Ez分量都有贡献，而分量只对Eφ分量有贡献。为了验证以上方法产生的光学焦场的具体形态和性质，本实施例提供了以下验证设计。为了简化计算程序，将与光焦场分布图样无关的系数设置为：A＝1,CD1＝1和CD2＝1。此外，为了完全会聚虚拟旋转场天线的辐射场，将最大辐射角设定为：θmax＝π/2，这可以通过采用反射型透镜或超表面透镜来实现。此时将等式(5)代入等式(6)、(7)和(8)可以得到焦场分布。如图3所示，给出了在ωt＝π/6，π/4，π/3和5π/12时，在x-y焦平面上的归一化总电场强度分布从图3中可以看出，在某一个时刻，焦场强度分布呈“8”字形。该光场随时间围绕光轴z顺时针旋转，称为右旋光焦场。同理，当ωt＝-π/6，-π/4，-π/3和-5π/12时，可以得到围绕光轴以ωt旋转的左旋光焦场，如图4所示。光焦场之所以会旋转，其原因在于两个分量|Ex|2和|Ey|2的幅度大小相等，且它们之间的时间相位差是π/2，如图5(a)和5(b)所示。通过计算可以发现，从“8”字形中轴线到Y轴的夹角等于ωt的值，见图3和图4，即在焦平面上，“8”字形的图案围绕光轴z以圆频率ω旋转，在稳定状态下形成一个直径为～0.36λ的圆斑，如图6所示，这与当前现有技术当中能够产生的最小焦斑尺寸相吻合。图5及图6提供了旋转光焦场分析的示意图。图5(a)表征分量|Ex|2，其通过逆向聚焦沿着x轴排列的偶极子辐射场产生；图5(b)表征分量|Ey|2，其通过逆向聚焦沿着y轴排列的偶极子辐射场产生，图6则表示沿x轴线扫描|Ey|2分量归一化强度示意图。如图7、图8、图9所示，在光焦场的三个正交分量中，方位角偏振分量占主导地位，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于旋转场天线的辐射场产生可旋转光学焦场的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：两个相互垂直且相位差90°的偶极子组成的虚拟旋转场天线置于4π聚焦系统的焦平面中心，使所述虚拟旋转场天线辐射的电磁场被两个相对的高数值孔径透镜完全会聚并准直到光瞳平面上；步骤S2：所述两个相对的高数值孔径透镜将两束相差180°的入射场聚焦到其光学焦平面上。

【技术特征摘要】
1.一种基于旋转场天线的辐射场产生可旋转光学焦场的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：两个相互垂直且相位差90°的偶极子组成的虚拟旋转场天线置于4π聚焦系统的焦平面中心，使所述虚拟旋转场天线辐射的电磁场被两个相对的高数值孔径透镜完全会聚并准直到光瞳平面上；步骤S2：所述两个相对的高数值孔径透镜将两束相差180°的入射场聚焦到其光学焦平面上。2.根据权利要求1所述的基于旋转场天线的辐射场产生可旋转光学焦场的方法，其特征在于，在步骤S1当中，所述两个相互垂直且相位差90°的偶极子的辐射场分别记为和其中为球坐标；和分别是沿着θ和方向的单位向量，且在球面波前Ω上互相垂直；和是笛卡尔坐标系中的单位向量；CD1和CD2表示与辐射方向图无关的系数；所述...

【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