一种空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法技术

本发明专利技术涉及一种空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法，由两个高数值孔径物镜建立4

【技术实现步骤摘要】
一种空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法
本专利技术属于光焦场定制领域，具体涉及一种基于空间均匀磁流线源天线的辐射场来生成空间指向和长度可控的光管焦场的方法。
技术介绍
在横截面内不均匀偏振态分布的矢量光场经紧聚焦之后可形成光泡、光针、光管、光链等新颖的光焦场。特定型态的光焦场，比如光管焦场，在粒子囚禁与捕获、粒子加速、光刻加工等方面具有广泛的应用潜力。对于光管焦场的生成，研究人员曾公开报道相关方法。比如，WangJM等人于2011年报道通过优化磁基本振子组成的天线阵列，并对其辐射场进行反向聚焦，形成一个径向半峰全宽0.32λ、纵向长度为8λ的轴向光管焦场；ChenG等人于2017年报道利用高数值孔径物镜和光瞳滤光片产生亚波长光管的方法，通过数值孔径为0.908的单个双相位平面型透镜对角向偏振的矢量光束进行紧聚焦，实验产生一个焦深为6.5λ的方位角偏振轴向光管焦场；YuYZ等人于2019年报道一种产生轴向多段光管焦场的方法。在上述实现光管焦场方法的相关报道中，发现产生的光管焦场方向均沿着轴向，方向单一，不适用于径向、甚至任意空间指向的应用场合；而且上述和现有的其它光管焦场的产生方法均需要优化聚焦系统的相关参数，优化过程冗长复杂，缺少灵活性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法，该方法有利于灵活定制不同空间指向和长度的光管焦场。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法，由两个高数值孔径物镜建立4Pi光学聚焦系统，在所述4Pi光学聚焦系统的共焦区放置空间指向和几何长度可定制的虚拟均匀磁流线源天线，所述虚拟均匀磁流线源天线产生的辐射场被两个物镜完全收集并准直到光瞳面；基于时间反演技术，逆转虚拟均匀磁流线源天线辐射场求得光瞳面的入射场；实现所述入射场，从光瞳面入射，经4Pi光学聚焦系统传播并在共焦区汇聚，在4Pi光学聚焦系统的共焦区形成期望的光管焦场。进一步地，所述4Pi光学聚焦系统采用两个外形尺寸和光学参数完全相同的高数值孔径物镜构成，两个物镜的光轴在同一直线上且共焦放置，4Pi光学聚焦系统两侧光瞳面入射场的相位相差180°。进一步地，在4Pi光学聚焦系统的共焦区建立笛卡尔坐标系统，其中原点为两个物镜的公共焦点，XOY平面为与物镜平行的焦平面，Y轴竖直向上，Z轴在光轴上，X轴垂直于YOZ平面；在所述笛卡尔坐标系统放置一虚拟均匀磁流线源天线，其中心点位于坐标原点，几何长度为L，磁流大小为Im，空间指向为其中θ0为虚拟均匀磁流线源天线与Z轴的夹角，为其在XOY平面的投影与X轴的夹角；所述虚拟均匀磁流线源天线的空间指向和几何长度均可定制。进一步地，利用空间指向电基本振子的辐射场，通过电磁对偶性原理，求得空间指向磁基本振子的辐射场，然后再将所述磁基本振子的辐射场，沿着虚拟均匀磁流线源天线的几何长度进行线积分累加，得到所定制虚拟均匀磁流线源天线的总辐射场。进一步地，所述空间指向电基本振子的辐射场如式(1)所示：其中：式中，μ0为自由空间导磁率，为自由空间的相移常数，w为角频率，电基本振子长度为Δle，电流大小为Ie，为辐射源所在方向的单位矢量，为辐射场的球坐标，为球坐标的单位矢量，因为磁场强度与电场强度有如下关系：式中为波阻抗，ε0为自由空间介电常数，且有：从而电基本振子的磁场强度：根据电磁对偶性原理，将电基本振子的辐射场作如下转换后，得到磁基本振子的辐射场：因此，空间指向磁基本振子的辐射场为：其中磁基本振子长度为Δlm，磁流大小为Im；计算虚拟均匀磁流线源天线上T点的辐射场，已知原点处的磁基本振子的辐射场如式(8)所述，则T点的辐射场为：其中：令Fmt分母中的R≈r，且指数中的则：其中，l′为均匀磁流线源的长度变量，为辐射场的矢径；则：则虚拟均匀磁流线源天线总的辐射场即是对在整个L长度上进行线积分累加，即：式中，Fmo为与辐射方向图无关的系数，为虚拟均匀磁流线源天线作为连续性线源的阵因子，和分别为虚拟均匀磁流线源天线在和方向的方向图元因子。进一步地，在归一化光瞳面上，用于产生光管焦场所需的入射场分布的计算公式为：若高数值孔径物镜满足亥姆霍兹条件，则物镜的切趾函数P(θ)为：则入射场为：从而通过所述虚拟均匀磁流线源天线的辐射场，得到光瞳面的入射场。进一步地，所述入射场利用空间光调制技术和基于微纳光信息调控的超表面技术来实现。进一步地，根据获得的入射场分布，基于德拜衍射积分理论，如式(17)计算获得焦区焦场的分布情况：相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：提出了一种空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法，该方法综合天线电磁辐射理论、电磁对偶性原理、方向图综合技术和时间反演技术，基于空间均匀磁流线源天线的辐射场来定制任意空间指向和几何长度的光管焦场。本方法不需要复杂的参数优化过程，且不同空间指向和几何长度的虚拟均匀磁流线源天线，可产生相应空间指向和几何长度的光管焦场，故本方法可灵活定制光管焦场空间指向和长度，所定制的光管焦场具有广泛的应用潜力。附图说明图1是本专利技术实施例中4Pi光学聚焦系统的示意图。图2是本专利技术实施例一中产生的X轴向光管焦场的3D图。图3是图2的YZ面侧视图。图4是本专利技术实施例二中产生的Y轴向光管焦场的3D图。图5是本专利技术实施例三中产生的Z轴向光管焦场的3D图。图6是本专利技术实施例三中产生的Z轴向光管焦场的XOY平面的光强分布图。图7是本专利技术实施例三中产生的Z轴向光管焦场的YOZ平面的光强分布图。图8是本专利技术实施例四中产生的径向光管焦场的3D图。图9是本专利技术实施例四中产生的径向光管焦场的XOY平面的光强分布图。图10是本专利技术实施例五中产生的一设定空间指向光管焦场的3D图。图11是本专利技术实施例六中产生一设定的Z轴向光管焦场所需的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空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法，如图1所示，该方法首先由两个高数值孔径物镜建立4Pi光学聚焦系统，在所述4Pi光学聚焦系统的共焦区放置空间指向和几何长度可定制的虚拟均匀磁流线源天线，所述虚拟均匀磁流线源天线产生的辐射场被两个物镜完全收集并准直到光瞳面；基于时间反演技术，逆转虚拟均匀磁流线源天线辐射场求得光瞳面的入射场；实现所述入射场，从光瞳面入射，经4Pi光学聚焦系统传播并在共焦区汇聚，在4Pi光学聚焦系统的共焦区形成期望的光管焦场。所述4Pi光学聚焦系统采用两个外形尺寸和光学参数完全相同的高数值孔径物镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法，其特征在于，由两个高数值孔径物镜建立4P

【技术特征摘要】
1.一种空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法，其特征在于，由两个高数值孔径物镜建立4Pi光学聚焦系统，在所述4Pi光学聚焦系统的共焦区放置空间指向和几何长度可定制的虚拟均匀磁流线源天线，所述虚拟均匀磁流线源天线产生的辐射场被两个物镜完全收集并准直到光瞳面；基于时间反演技术，逆转虚拟均匀磁流线源天线辐射场求得光瞳面的入射场；实现所述入射场，从光瞳面入射，经4Pi光学聚焦系统传播并在共焦区汇聚，在4Pi光学聚焦系统的共焦区形成期望的光管焦场。


2.根据权利要求1所述的一种空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法，其特征在于，所述4Pi光学聚焦系统采用两个外形尺寸和光学参数完全相同的高数值孔径物镜构成，两个物镜的光轴在同一直线上且共焦放置，4Pi光学聚焦系统两侧光瞳面入射场的相位相差180°。


3.根据权利要求2所述的一种空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法，其特征在于，在4Pi光学聚焦系统的共焦区建立笛卡尔坐标系统，其中原点为两个物镜的公共焦点，XOY平面为与物镜平行的焦平面，Y轴竖直向上，Z轴在光轴上，X轴垂直于YOZ平面；
在所述笛卡尔坐标系统放置一虚拟均匀磁流线源天线，其中心点位于坐标原点，几何长度为L，磁流大小为Im,空间指向为其中θ0为虚拟均匀磁流线源天线与Z轴的夹角，为其在XOY平面的投影与X轴的夹角；所述虚拟均匀磁流线源天线的空间指向和几何长度均可定制。


4.根据权利要求3所述的一种空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法，其特征在于，利用空间指向电基本振子的辐射场，通过电磁对偶性原理，求得空间指向磁基本振子的辐射场，然后再将所述磁基本振子的辐射场，沿着虚拟均匀磁流线源天线的几何长度进行线积分累加，得到所定制虚拟均匀磁流线源天线的总辐射场。


5.根据权利要求4所述的一种空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法，其特征在于，所述空间指向电基本振子的辐射场如式(1)所示：



其中：









式中，μ0为自由空间导磁率，为自由空间的相移常数，w为角频率，...

【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