一种产生任意指向光针立体阵的方法技术

本发明专利技术涉及一种产生任意指向光针立体阵的方法，将两个用于汇聚入射场的高数值孔径物镜共轴放置，建立4

【技术实现步骤摘要】
一种产生任意指向光针立体阵的方法
本专利技术属于光针焦场定制
，具体涉及一种产生任意指向光针立体阵的方法。
技术介绍
近年来，利用矢量光场在其波阵面上偏振态的非均匀分布，通过聚焦系统的紧聚焦之后，可形成诸如光针、光管、光链、光泡等特殊形态的光焦场分布。特定的光焦场在粒子加速、微纳加工、高密度光学存储、粒子囚禁等方面具有极大应用潜力。对于光针焦场的构建，科研人员曾公开报道相关方法。比如，WangHF等首次报道通过二元光学元件和高数值孔径透镜组合紧聚焦径向偏振矢量光束产生光针焦场的方法；YuYZ等人提出虚拟多元均匀线源产生多段纵向共线光针焦场的方法。上述公开报道的方法中，所产生的光针焦场均沿着光轴方向，方向较单一，多段光针排列方式简单，不适合二维或三维光学操作，且需要经过复杂多参数优化过程，设计过程缺乏灵活性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种产生任意指向光针立体阵的方法，该方法有利于灵活定制光针立体阵。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种产生任意指向光针立体阵的方法，将两个用于汇聚入射场的高数值孔径物镜共轴放置，建立4π光学聚焦系统；在4π光学聚焦系统的焦区放置虚拟均匀线源天线立体阵，并计算得到所述虚拟均匀线源天线立体阵产生的辐射场，所述虚拟均匀线源天线立体阵的辐射场被两个物镜完全汇聚并准直到光瞳面，通过时间反演技术，逆转所述虚拟均匀线源天线立体阵的辐射场求得光瞳面的入射场；将所述入射场从光瞳面入射，经4π光学聚焦系统传播并在焦区汇聚，在4π光学聚焦系统的焦区形成指向可控的光针立体阵。进一步地，所述虚拟均匀线源天线立体阵的阵元为均匀线源，其几何长度可设置，空间方位可调整，天线立体阵的空间位置可调整。进一步地，所述4π光学聚焦系统两侧光瞳面的入射场相位相差π。进一步地，在4π光学聚焦系统的焦区建立直角坐标系统，其中两物镜的光轴方向为Z轴方向，设置一M×N×P虚拟均匀线源天线立体阵，M、N、P分别为X、Y、Z轴的天线阵列阵元数目，阵元的X、Y、Z轴坐标分别为x0、x1、x2…xM-1，y0、y1、y2…yN-1和z0、z1、z2…zP-1；天线阵列阵元的长度为L，电流为I0，任意空间指向为其中θ0为阵元与光轴的夹角，为阵元在XOY平面的投影与X轴的夹角；根据天线辐射理论，中心点位于原点的天线阵列阵元的辐射场为：其中式中，I0为阵元电流的大小，L为阵元长度，μ0为导磁率，k为波数，w为角频率，j为虚数单位，为阵元辐射场的极坐标，和为极坐标单位方向矢量，C为与阵元辐射方向图无关的系数，为阵元作为连续性线源的阵因子，和分别为阵元在和方向的方向图元因子；以所述天线阵列阵元构成M×N×P天线立体阵，根据天线阵列方向图乘积定理，可得空间立体阵因子：则任意空间指向均匀线源立体阵的辐射场为：进一步地，将虚拟均匀线源天线立体阵的辐射场反转并用相对π相移从瞳孔平面向后传播到4π光学聚焦系统的焦区；在归一化光瞳面上，用于产生光针立体阵所需的入射场从式(9)计算得到：其中为入射场在光瞳面上的极坐标，T(θ)为物镜的切趾函数；若物镜满足亥姆霍兹条件，则T(θ)为：则光瞳面的入射场为：其中和为光瞳面X、Y方向单位矢量；利用Debye理论，计算所述入射场经4π光学聚焦系统紧聚焦后可形成任意指向光针立体阵。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术将虚拟均匀线源天线立体阵置于光学聚焦系统的焦区，结合均匀线源天线辐射理论、阵列天线综合技术和时间反演技术，将立体阵列天线的辐射场在入射光瞳面处进行反转，并经光学系统聚焦后在焦区附近可产生任意指向光针立体阵。本专利技术所提出的方法无需复杂冗长的优化过程，在定制具有预定特性的光针立体阵方面十分灵活方便。附图说明图1是本专利技术实施例中4π光学聚焦系统的示意图。图2是本专利技术实施例中在4π光学聚焦系统中建立的直角坐标系统示意图。图3是本专利技术实施例一中X轴向光针立体阵的3D图。图4是本专利技术实施例二中Y轴向光针立体阵的3D图。图5是本专利技术实施例二中XY面侧视图。图6是本专利技术实施例二中XZ面侧视图。图7是本专利技术实施例二中YZ面侧视图。图8是本专利技术实施例三中Z轴向光针立体阵的3D图。图9是本专利技术实施例四中横向光针立体阵的3D图。图10是本专利技术实施例五中空间光针立体阵的3D图。图11是本专利技术实施例中光瞳面入射场分布图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本实施例提供了一种产生任意指向光针立体阵的方法，将两个用于汇聚入射场的高数值孔径物镜共轴放置，建立4π光学聚焦系统；在4π光学聚焦系统的焦区放置虚拟均匀线源天线立体阵，并计算得到所述虚拟均匀线源天线立体阵产生的辐射场，所述虚拟均匀线源天线立体阵的辐射场被两个物镜完全汇聚并准直到光瞳面，通过时间反演技术，逆转所述虚拟均匀线源天线立体阵的辐射场求得光瞳面的入射场；将所述入射场从光瞳面入射，经4π光学聚焦系统传播并在焦区汇聚，在4π光学聚焦系统的焦区形成指向可控的光针立体阵。所述4π光学聚焦系统两侧光瞳面的入射场相位相差π。所述虚拟均匀线源天线立体阵的阵元为均匀线源，其几何长度可设置，空间方位可调整，天线立体阵的空间位置可调整。该方法的具体实现步骤如下：(1)设计4π光学聚焦系统基于均匀线源天线辐射理论和阵列天线综合技术，结合时间反演技术，通过反转虚拟均匀线源立体阵的辐射场可在聚焦系统的焦区形成期望的光针立体阵。为了将虚拟天线立体阵的辐射场进行完全收集汇聚，建立如图1所示的4π光学聚焦系统。该系统的两个物镜是完全相同的高数值孔径物镜，设计方式为共焦放置，且两物镜的光轴在同一直线上。(2)设计空间任意指向均匀线源天线立体阵在4π光学聚焦系统焦区建立直角坐标系，其中两物镜的光轴方向为Z轴方向，Y轴方向竖立向上，设计一M×N×P虚拟均匀线源天线立体阵，如图2所示。其中“+”表示立体阵的阵元，M、N、P分别为X、Y、Z轴的阵元数目，阵元的X轴坐标为x0、x1、x2…xM-1，阵元的Y轴和Z轴坐标分别为y0、y1、y2…yN-1和z0、z1、z2…zP-1。图2中，虚拟均匀线源立体阵的辐射场被4π光学聚焦系统完全收集准直到它们的光瞳平面，并将该辐射场反转并用相对π相移从光瞳平面向后传播到聚焦系统焦区附近。(3)计算空间任意指向均匀线源天线立体阵的辐射场立体阵的阵元为均匀线源天线，其长度为L，电流为I0，任意空间指向为其中θ0为阵元与光轴的夹角，为阵元在XOY平面的投影与X轴的夹角。利用天线辐射理论推导计算，中心点位于原点的上述阵元的辐射场为：其中：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种产生任意指向光针立体阵的方法，其特征在于，将两个用于汇聚入射场的高数值孔径物镜共轴放置，建立4π光学聚焦系统；在4π光学聚焦系统的焦区放置虚拟均匀线源天线立体阵，并计算得到所述虚拟均匀线源天线立体阵产生的辐射场，所述虚拟均匀线源天线立体阵的辐射场被两个物镜完全汇聚并准直到光瞳面，通过时间反演技术，逆转所述虚拟均匀线源天线立体阵的辐射场求得光瞳面的入射场；将所述入射场从光瞳面入射，经4π光学聚焦系统传播并在焦区汇聚，在4π光学聚焦系统的焦区形成指向可控的光针立体阵。/n

【技术特征摘要】
1.一种产生任意指向光针立体阵的方法，其特征在于，将两个用于汇聚入射场的高数值孔径物镜共轴放置，建立4π光学聚焦系统；在4π光学聚焦系统的焦区放置虚拟均匀线源天线立体阵，并计算得到所述虚拟均匀线源天线立体阵产生的辐射场，所述虚拟均匀线源天线立体阵的辐射场被两个物镜完全汇聚并准直到光瞳面，通过时间反演技术，逆转所述虚拟均匀线源天线立体阵的辐射场求得光瞳面的入射场；将所述入射场从光瞳面入射，经4π光学聚焦系统传播并在焦区汇聚，在4π光学聚焦系统的焦区形成指向可控的光针立体阵。


2.根据权利要求1所述的一种产生任意指向光针立体阵的方法，其特征在于，所述虚拟均匀线源天线立体阵的阵元为均匀线源，其几何长度可设置，空间方位可调整，天线立体阵的空间位置可调整。


3.根据权利要求1所述的一种产生任意指向光针立体阵的方法，其特征在于，所述4π光学聚焦系统两侧光瞳面的入射场相位相差π。


4.根据权利要求1所述的一种产生任意指向光针立体阵的方法，其特征在于，在4π光学聚焦系统的焦区建立直角坐标系统，其中两物镜的光轴方向为Z轴方向，设置一M×N×P虚拟均匀线源天线立体阵，M、N、P分别为X、Y、Z轴的天线阵列阵元数目，阵元的X、Y、Z轴坐标分别为x0、x1、x2…xM-1，y0、y1、y2…yN-1和z0、z1、z2…zP-1；
天线阵列阵元的长度为L，电流为I0，任意空间指向为其中θ0为阵元与光轴的夹角，为阵元在X...

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