一种实现部分相干光紧聚焦的快速计算方法技术

本发明专利技术公开了一种实现部分相干光紧聚焦的快速计算方法，该方法包括以下步骤：S10、将部分相干光束展开为多个完全相干子光源，所述多个完全相干子光源之间相互独立；S20、将所述多个完全相干子光源分别通过紧聚焦系统，并利用紧聚焦快速算法得到所述多个完全相干子光源分别对应的紧聚焦光场分布；S30、将得到的多个紧聚焦光场分布进行非相干叠加，得到叠加后的总光场，即为部分相干光束入射情况下的紧聚焦焦场分布。该方法通过将部分相干光入射情况下的矢量衍射积分公式的四重积分形式变成快速傅里叶变换以及求和形式，缩短了计算时间，提高了计算效率，极大提高了部分相干情况下的紧聚焦计算精度，并可以降低计算过程中的失真。

A fast calculation method for compact focusing of partially coherent light

The invention discloses a fast calculation method for tight focusing of partially coherent light, which includes the following steps: S10. Expand the partially coherent light beam into a plurality of completely coherent sub light sources, and the plurality of completely coherent sub light sources are independent of each other; S20. Pass the plurality of completely coherent sub light sources through the tight focusing system respectively, and use the fast algorithm of tight focusing to obtain the plurality of completely coherent sub light sources S30. Incoherently superimpose the obtained multiple compact focus light field distributions to obtain the total superposition light field, that is, the compact focus field distribution under the condition of partially coherent beam incidence. In this method, the quadruple integral form of vector diffraction integral formula in the case of partially coherent light incident is transformed into fast Fourier transform and summation form, which shortens the calculation time, improves the calculation efficiency, greatly improves the precision of tight focus calculation in the case of partially coherent light, and reduces the distortion in the calculation process.

【技术实现步骤摘要】
一种实现部分相干光紧聚焦的快速计算方法
本专利技术涉及光束的紧聚焦计算领域，特别涉及一种实现部分相干光紧聚焦的快速计算方法。
技术介绍
当一束光经过光学高数值孔径聚焦后，传统的光束傍轴传输理论不再适用。这是因为当光经过光学高数值孔径聚焦之后，光的波矢会向着数值孔径焦点处发生大角度的偏折，从而导致只含有x和y方向电场分量的初始光场在聚焦过程中变成含有x，y和z分量的三维分布光场。因此，需要利用非傍轴传输理论处理光束经过光学高数值孔径聚焦的问题。以上光束经过光学高数值孔径聚焦的问题通常被称为光束的紧聚焦问题。由于光束紧聚焦的内在矢量特性，使得光束在紧聚焦过程中产生很多有趣的新颖物理效应。其中研究最为广泛的是利用空间非均匀偏振光束作为紧聚焦系统的初始入射光束，这类光束在传输过程中表现出丰富的焦场特性。比如：具有径向偏振分布的光束在紧聚焦过程中表现出超强的纵向电场，从而产出亚波长量级的焦斑，在光学焦场超分辨成像、表面等离激元激发与聚焦等方面具有重要应用；具有角向偏振分布的光束在紧聚焦过程中的纵向电场完全消失，因此这种光束在焦点附近的纵向空间中形成空心的光学通道，在粒子引导与操纵中具有重要应用。此外，光学紧聚焦在新型偏振拓扑产生、光的自旋霍尔效应、光的自旋-轨道角动量耦合、光镊技术等领域中具有重要应用。目前光的紧聚焦过程中的测量技术主要包括刀口测量法以及近场微粒散射法，但是以上两个方法技术要求和难度都非常大，同时还存在诸多应用上的限制。因此，到目前为止，光的紧聚焦研究大部分都处于理论研究层面。我们知道光的紧聚焦过程不在满足傍轴传输条件，因此无法使用菲涅尔衍射积分公式等进行近似处理，而需要采用Richards和Wolf提出的矢量衍射积分公式处理。矢量衍射积分公式在处理非高度震荡的光场时，需要通过计算可收敛的二重积分才能得到光在紧聚焦过程中的光场分布。目前的商业软件，比如Matlab，Mathematica等在处理可收敛的二重积分时，通常积分时间非常短。因此通常情况下，通过矢量衍射积分公式计算光的紧聚焦过程非常便捷。不过上述光的紧聚焦过程中，提到的入射光束都是完全相干光束。而最近研究表明，在紧聚焦系统中的入射光束为部分相干光束时，对紧聚焦焦场的操控会更加灵活，表现出更多的自由度。例如，利用部分相干光束的空间相干结构调控，可以实现紧聚焦焦场以及纵向场整形，实现丰富的焦场分布。而对于部分相干光场作为入射场的情况，矢量衍射积分公式中的二重积分扩展到四重积分，计算消耗时间大大增加。比如在计算多高斯谢尔模关联光束的紧聚焦焦场分布时，利用商用软件Mathematica直接积分得到50乘50的数据点需要消耗60个小时左右的计算时间，且当初始入射的部分相干光束相干度较低时，矢量衍射积分公式计算出的结果失真严重。因此，其大大限制了部分相干情况下的紧聚焦特性研究。目前在计算光紧聚焦过程的现有技术中，2006年Leutenegger等人提出利用快速傅里叶变换的方法代替Richards和Wolf提出的矢量衍射积分公式，该技术耗时虽然很短，但只适用于入射光束为完全相干光的情况，而对于部分相干光的情况无效。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术目的在于提供一种能够缩短计算时间，提高计算效率的部分相干光紧聚焦的快速计算方法。其采用如下技术方案：一种实现部分相干光紧聚焦的快速计算方法，其包括以下步骤：S10、将部分相干光束展开为多个完全相干子光源，所述多个完全相干子光源之间相互独立；S20、将所述多个完全相干子光源分别通过紧聚焦系统，并利用紧聚焦快速算法得到所述多个完全相干子光源分别对应的紧聚焦光场分布；S30、将得到的多个紧聚焦光场分布进行非相干叠加，得到叠加后的总光场，即为部分相干光束入射情况下的紧聚焦焦场分布。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S20具体包括：将所述多个完全相干子光源分别通过紧聚焦系统，将完全相干子光源电场代入到矢量衍射积分公式中，通过空间坐标变换以及数学化简，将矢量衍射积分化简成简单的二维傅里叶变化的形式，并通过Matlab快速傅里叶变换算法，求得完全相干子光源经过所述紧聚焦系统后的电场分布。作为本专利技术的进一步改进，所述部分相干光束入射情况下的紧聚焦焦场分布包括：紧聚焦焦场光谱密度、偏振特性以及相干特性。作为本专利技术的进一步改进，所述紧聚焦系统包括光学高数值孔径。作为本专利技术的进一步改进，所述光学高数值孔径焦距为3mm，数值孔径NA为0.95，聚焦过程所处环境折射率nindex为1。作为本专利技术的进一步改进，所述完全相干子光源的数量与部分相干光束的初始空间相干性有关，部分相干光束初始相干性越高，展开成的完全相干子光源的数量越少，反之则越多。作为本专利技术的进一步改进，所述将部分相干光束展开为多个完全相干子光源，具体包括：根据相干模式展开理论将部分相干光束展开为多个完全相干子光源。本专利技术的有益效果：1.本专利技术部分相干光紧聚焦的快速计算方法可极大的提高计算效率。将部分相干光入射情况下的矢量衍射积分公式的四重积分形式变成快速傅里叶变换以及求和形式，缩短了计算时间，提高了计算效率。2.本专利技术部分相干光紧聚焦的快速计算方法可极大的提高计算精度。在提高计算效率的基础下，可以在较短的时间内计算出维度为512乘512的数据点，极大提高了部分相干情况下的紧聚焦计算精度。3.本专利技术部分相干光紧聚焦的快速计算方法可以降低计算过程中的失真。利用快速傅里叶变换以及非相干求和的方法，大大降低了现有四重积分技术实施过程中计算失真。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。附图说明图1是本专利技术中实施例中实现部分相干光紧聚焦的快速计算方法的流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。本实施例中的实现部分相干光紧聚焦的快速计算方法，其包括以下步骤：S10、将部分相干光束展开为多个完全相干子光源，所述多个完全相干子光源之间相互独立；其中，当紧聚焦系统中的入射光束为部分相干光束时，它的二阶统计特性可以通过如下相干矩阵表示：W(r1，r2)＝<E*(r1)ET(r2)>，(1)其中表示E(r)表示空间r点处的随机电场，＊表示复共轭，T表示矩阵的转置，尖括号表示系综平均。根据Wolf等人提出的相干模式展开理论，部分相干光束可以看成一系列互不相干的完全相干子光源叠加而成。其中完全相干子光源的数量由部分相干光束的初始空间相干度决定，相干度越低，需要的完全相干子光源数量越多，反之则越少。根据完全相干模式展开理论，相干矩阵可以展开为如下求和形式：其中λn为第n个模式的模式系数，表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现部分相干光紧聚焦的快速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS10、将部分相干光束展开为多个完全相干子光源，所述多个完全相干子光源之间相互独立；/nS20、将所述多个完全相干子光源分别通过紧聚焦系统，并利用紧聚焦快速算法得到所述多个完全相干子光源分别对应的紧聚焦光场分布；/nS30、将得到的多个紧聚焦光场分布进行非相干叠加，得到叠加后的总光场，即为部分相干光束入射情况下的紧聚焦焦场分布。/n

【技术特征摘要】
1.一种实现部分相干光紧聚焦的快速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、将部分相干光束展开为多个完全相干子光源，所述多个完全相干子光源之间相互独立；
S20、将所述多个完全相干子光源分别通过紧聚焦系统，并利用紧聚焦快速算法得到所述多个完全相干子光源分别对应的紧聚焦光场分布；
S30、将得到的多个紧聚焦光场分布进行非相干叠加，得到叠加后的总光场，即为部分相干光束入射情况下的紧聚焦焦场分布。


2.如权利要求1所述的实现部分相干光紧聚焦的快速计算方法，其特征在于，所述步骤S20具体包括：将所述多个完全相干子光源分别通过紧聚焦系统，将完全相干子光源电场代入到矢量衍射积分公式中，通过空间坐标变换以及数学化简，将矢量衍射积分化简成简单的二维傅里叶变化的形式，并通过Matlab快速傅里叶变换算法，求得完全相干子光源经过所述紧聚焦系统后的电场分布。


3.如权利要求1所述的实现部分相干光紧聚焦的快速计...

【专利技术属性】
技术研发人员：童瑞寰，陈亚红，王飞，蔡阳健，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32