一种产生横向光针平面阵的方法技术

本发明专利技术涉及一种产生横向光针平面阵的方法，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】
一种产生横向光针平面阵的方法
本专利技术属于光针焦场定制
，具体涉及一种产生横向光针平面阵的方法。
技术介绍
由于矢量光场在其波阵面上具有非均匀的偏振态分布，研究发现其在光学系统紧聚焦传播后，可以出现光针、光管、光链等诸多新颖现象，该现象于2000年首次由YoungworthKS和BrownTG两位学者公开报道，此后便引起诸多科研人员的重视。近年来，产生沿着纵向(光轴)方向且具有均匀强度分布的光针焦场已成为科研人员研究的热点之一，因具有特定特性的光针焦场有广泛在粒子加速、微纳加工、显微成像、高密度光学存储等方面应用的巨大潜力。2008年，WangHF等人提出了通过双相光学元件和高数值孔径透镜组合聚焦径向偏振贝塞尔-高斯光束产生光针焦场的方法；2010年，WangJM等人提出了通过反转经优化设计后的电偶极子阵列辐射场并经特定的离散复瞳滤波器后产生高纵向极化纯度的超长光针焦场；2019年，YuYZ等人提出了利用分段均匀线源辐射场产生分段光针焦场的方法。在上述及其它关于产生光针焦场方法的报道中，可以发现产生的光针焦场均是沿着纵向，也就是聚焦系统的光轴方向。单一的光针焦场及光针单一的方向，使其应用领域受到一定的限制，而且上述提及的方法，均需进行聚焦系统多参数的优化过程，特别是要产生由多段光针构成的光针阵列，则需要优化的过程将更加复杂，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产生横向光针平面阵的方法，该方法有利于灵活定制横向光针平面阵。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种产生横向光针平面阵的方法，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光学聚焦系统的焦平面放置虚拟均匀线源天线阵列，并计算得到所述虚拟均匀线源天线阵列产生的辐射场，所述虚拟均匀线源天线阵列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阵列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光学聚焦系统的焦平面形成光针平面阵。进一步地，所述虚拟均匀线源天线阵列的单元为均匀线源，以共线或平行方式构成横向直线阵列，或横向平面阵列；天线阵列单元的参数可设置，天线阵列单元的间距可调整。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180度。进一步地，在4π光学聚焦系统的焦区建立直角坐标系统，其中横向平面为XOY平面，即焦平面，Z轴为两个物镜的光轴，虚拟均匀线源天线阵列放置在横向平面，且沿原点对称布置；天线阵列单元为单个均匀线源，其长度为L，电流为I0，横向方位角，即横向均匀线源方向与X轴的夹角为横向平面直线阵列相邻阵元的间距为dn；天线阵列单元为均匀线源天线，置于横向平面，其矢量表达式为：其中，l′为均匀线源长度变量，为其方向的单位矢量，分别为直角坐标系中X、Y轴的单位矢量；均匀线源的矢量位为：式中，L和I0为均匀线源的几何长度和电流大小，μ0为导磁率，k为波数，醨为虚数单位，为辐射场的矢径；令：由于均匀线源中心点位于坐标原点，故：则进一步计算式(2)，得到：令：则均匀线源的矢量位为：根据天线辐射理论，辐射场与矢量位的关系如式(7)：其中和分别为沿θ和方向的单位矢量；令：则方位角为的天线阵列单元的辐射场为：式中C为与辐射方向图无关的系数，为均匀线源作为连续性线源的因子，和分别为线源在和方向的方向图元因子；若有N个相同的所述天线阵列单元，在XOY平面沿着X轴排列，X轴位置分别为x0，x1，x2，…，xN-1，则X轴向的空间阵列因子为：其中In为对应天线阵列单元的电流，若是均匀天线阵列，则In＝I0；θ为辐射场射线与光轴的夹角,为辐射场射线在横向平面投影与X轴的夹角；若有M个相同的所述天线阵列单元，在XOY平面沿着Y轴排列，Y轴位置分别为y0，y1，y2，…，yM-1，则Y轴向的空间阵列因子为：其中Im为对应天线阵列单元的电流，若是均匀天线阵列，则Im＝I0；当横向均匀线源阵列为一维直线阵列时，空间阵列因子为：当均匀线源阵列为横向平面二维阵列时，根据方向图乘积原理，则其空间阵列因子：由此可得横向均匀线源阵列的辐射场为：进一步地，将虚拟均匀线源天线阵列的辐射场反转并用相对180度相移从瞳孔平面向后传播到焦区；在归一化瞳孔平面上，用于产生此光焦场所需的入射场分布从式(17)计算得到：其中为入射场在瞳孔平面上的极坐标；若透镜满足亥姆霍兹条件，则切趾函数P(θ)为：则光瞳面的入射场为：所述光瞳面入射场结合德拜矢量衍射积分理论，经4π光学聚焦系统紧聚焦后可在焦平面产生横向光针平面阵。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平面阵列置于光学聚焦系统的焦平面处，利用平面阵列天线辐射理论和时间反演技术，将平面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平面可产生横向光针平面阵。本专利技术所提出的方法无需优化过程，且不同的单元天线参数和不同的空间布阵方式，可产生不同特性的横向光针平面阵列，故本方法可灵活定制所需特性的横向光针平面阵。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轴向平行光针阵的3D图。图4是本专利技术实施例一中XOY径向平面光强分布图。图5是本专利技术实施例二中Y轴向光针平行阵的3D图。图6是本专利技术实施例二中XY面侧视图。图7是本专利技术实施例二中XZ面侧视图。图8是本专利技术实施例三中X轴向光针共线阵的3D图。图9是本专利技术实施例四中Y轴向光针共线阵的3D图。图10是本专利技术实施例五中非轴向的横向光针直线阵的3D图。图11是本专利技术实施例六中非轴向的横向光针直线阵的3D图。图12是本专利技术实施例七中横向光针平面阵的3D图。图13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横向光针平面阵的方法，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光学聚焦系统的焦平面放置虚拟均匀线源天线阵列，并计算得到所述虚拟均匀线源天线阵列产生的辐射场，所述虚拟均匀线源天线阵列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阵列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附近汇聚，在4π光学聚焦系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种产生横向光针平面阵的方法，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光学聚焦系统的焦平面放置虚拟均匀线源天线阵列，并计算得到所述虚拟均匀线源天线阵列产生的辐射场，所述虚拟均匀线源天线阵列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阵列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光学聚焦系统的焦平面形成横向光针平面阵。/n

【技术特征摘要】
1.一种产生横向光针平面阵的方法，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光学聚焦系统的焦平面放置虚拟均匀线源天线阵列，并计算得到所述虚拟均匀线源天线阵列产生的辐射场，所述虚拟均匀线源天线阵列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阵列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光学聚焦系统的焦平面形成横向光针平面阵。


2.根据权利要求1所述的一种产生横向光针平面阵的方法，其特征在于，所述虚拟均匀线源天线阵列的单元为均匀线源，以共线或平行方式构成横向直线阵列，或横向平面阵列；天线阵列单元的参数可设置，天线阵列单元的间距可调整。


3.根据权利要求1所述的一种产生横向光针平面阵的方法，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180度。


4.根据权利要求1所述的一种产生横向光针平面阵的方法，其特征在于，在4π光学聚焦系统的焦区建立直角坐标系统，其中横向平面为XOY平面，即焦平面，Z轴为两个物镜的光轴，虚拟均匀线源天线阵列放置在横向平面，且沿原点对称布置；天线阵列单元为单个均匀线源，其长度为L，电流为I0，横向方位角，即横向均匀线源方向与X轴的夹角为横向平面直线阵列相邻阵元的间距为dn；
天线阵列单元为均匀线源天线，置于横向平面，其矢量表达式为：



其中，l′为均匀线源长度变量，为其方向的单位矢量，分别为直角坐标系中X、Y轴的单位矢量；
均匀线源的矢量位为：



式中，L和I0为均匀线源的几何长度和电流大小，μ0为导磁率，k为波数，賰为虚数单位，为辐射场的矢径；
令：



由于均匀线源中心点位于坐标原点，故：



则进一步计算式(2)，得到：



令：



...

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