【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及到一种方法，用来产生具有任意纵向形状和高度的横向局域化的(强)驻波场。
技术介绍
很多年以来人们已经知道，具有相同相速度的贝塞尔束的合适的频率叠加能够产生局域化的波脉冲。这种脉冲具有令人惊奇的特性，能在其传播中抵抗衍射效应。在US 5,081,995中，Lu已经表明，通过使用存在于一系列环中的压电换能器，有可能产生一系列不发生衍射的(声)脉冲。压电换能器产生超声波脉冲，用以增加场分辨率。通常使用环形换能器，因为轴对称便于在所产生的波场中减少衍射。Durnin等人用一个非常简单的实验装置产生了光学的激光贝塞尔束，该装置包含激光束光源、一个环形狭缝、一个透镜。由激光束产生的高斯光束被转换为高度非衍射的贝塞尔光束。如果能够产生一个波场，它不仅具有高度的非衍射行为(即，相对于传播方向，在径向是受限制的)，而且在其传播方向和在横向均受限制的一个预定空间区域内被限制，那么这将有很高的技术实用性。在这种情况下，在间隔0≤z≤L之内，至少能定义一个三维空间区域，它在所述的间隔0≤z≤L内具有一个预定尺度L1≤z≤L2，场在其中被限制，而在其外可以忽略。当然，由于该方法使用傅立叶类型的变换，同一模式自然而然地在每个相继的间隔L≤z≤2L等内被重复，除非进入到该公布的方法中所考虑的叠加内的每个贝塞尔束的场深(depth-field)选择为不比L大很多。QING CAO等人在“美国光学学会期刊A(光学、图像科学和视觉)”上的文章“轴对称的在轴平顶束”中(″Axially symmetric on-axis flat-topbeam″，Journal of th...
【技术保护点】
产生具有先验地预定的任意形状的局域化驻波场的方法，包括如下步骤： ａ）定义至少一个区域，该区域在束传播的ｚ轴方向上是有限的，即０≤ｚ≤Ｌ类型的所谓的纵向间隔； ｂ）在所述纵向间隔内先验地定义强度模式μＦ（ｚ）μ↑［２］，该模式描述所希望的局域化驻波场，其中函数Ｆ（ｚ）由离散傅立叶级数展开或以（三角）正交函数的类似的展开的形式表示； ｃ）提供贝塞尔束或其它的横向高度受限制的束的一个离散的、一般性的叠加； ｄ）计算要进行叠加的贝塞尔束的最大被允许数目； ｅ）计算用来得到所述的预定的静态强度模式（在所述预定的纵向间隔内）的进行叠加的每个贝塞尔束的幅度、相速度以及横向和纵向波数； ｆ）识别并控制在步骤（ｅ）中所述的每个参数的效应，以便控制所述局域化驻波场的纵向形状；。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】EP 2004-5-27 04425387.01.产生具有先验地预定的任意形状的局域化驻波场的方法，包括如下步骤a)定义至少一个区域，该区域在束传播的z轴方向上是有限的，即0≤z≤L类型的所谓的纵向间隔；b)在所述纵向间隔内先验地定义强度模式μF(z)μ2，该模式描述所希望的局域化驻波场，其中函数F(z)由离散傅立叶级数展开或以(三角)正交函数的类似的展开的形式表示；c)提供贝塞尔束或其它的横向高度受限制的束的一个离散的、一般性的叠加；d)计算要进行叠加的贝塞尔束的最大被允许数目；e)计算用来得到所述的预定的静态强度模式(在所述预定的纵向间隔内)的进行叠加的每个贝塞尔束的幅度、相速度以及横向和纵向波数；f)识别并控制在步骤(e)中所述的每个参数的效应，以便控制所述局域化驻波场的纵向形状；2.根据权利要求1的方法，其中，所述贝塞尔束或具有高度横向限制的所述束具有相同的频率。3.根据权利要求1的方法，其中，所述贝塞尔束或具有高度横向限制的所述束具有不同的频率。4.根据权利要求1的方法，其中，所述贝塞尔束或具有高度横向限制的所述束具有一定的带宽。5.根据前面的权利要求1到4中的一个或多个权利要求的方法，其中，所述贝塞尔束或具有高度横向限制的所述束是脉冲化的。6.根据前面的一个或多个权利要求的方法，其中，在所述(至少一个)限定的空间区域内定义所述强度模式的傅立叶展开是一个三角展开。7.根据权利要求6的方法，其中，在所述的至少一个纵向间隔内定义所述强度模式的傅立叶展开是傅立叶型的级数。8.根据前面的一个或多个权利要求的方法，其中，贝塞尔束或其它束的一般性叠加由，例如，下面的函数给出ψ(ρ,z,t)=e-tω0tΣn=-NNAnJ0(kρnρ)etβnz---(5)]]>其中，n为整数，An为常系数，βn，kρn为纵向和横向波数，而μ0为频率，μ、z为柱面坐标，t为时间，在所述方程(5)中，对于每个n，参数(ω0，kρn，βn)必须满足条件kρ2=ω2c2-β2≥0---(3)]]>并且，对应着被定义为0≤z≤L的预先被划定的纵向间隔的强度模式由，例如，下面的傅立叶型级数给出F(z)=Σm=-∞∞Bmei2πLmz---(7)]]>其中Bm=1L∫0LF(z)e-12πLmzdz---(8)]]>用来在所选择的空间区域内至少是近似地获得所定义的强度模式的具体的贝塞尔(或其它)束的叠加由，例如，下面的方程给出ψ(ρ=0,z,t)=e-tω0teIQzΣn=-NNAnet2πLnz---(11)]]>其中的幅度An由下式给出An=1L∫0LF(z)e-t2πLnzdz---(12)]]>叠加的贝塞尔(或其它)束的最大数目N被定义为0≤Q±2πLN≤ω0c---(10)]]>而纵向波数被定义为βn=Q+2πLn---(9)]]>其中，Q是一个经验参数，它的选择须满足0＜Q＜(α0)/c；L为所考虑的纵向间隔长度。9.根据权利要求8的方法，其中，所述柱坐标μ不为零，为获得对应着所考虑的纵向间隔的所述希望的强度模式的贝塞尔束的所述叠加由下式给出ψ(ρ,z,t)=e-iω0teiQzΣn=-NNAnJ0(kρnρ)ei2πLnz---(13)]]>其中kρn2=ω02-(Q+2πnL)2---(14)]]>10.根据前面的一个或多个权利要求的方法，其中，描述在限定区域内(或者多个限定的空间区域，每一个该区域对应着所述束的传播方向上的预定的纵向间隔)的所述强度模式的函数F(z)是一个阶跃函数或是阶跃函数的组合。11.根据权利要求10的方法，其特征在于，函数F(z)是一个在间隔0≤z≤L内分段连续的函数。12.根据前面的一个或多个权利要求的方法，其特征在于，所述贝塞尔束是包括地震波和地球物理波以及类似波在内的机械波束。13.根据权利要求12的方法，其特征在于，所述机械波束是声波；14.根据前面权利要求1到11中的一个或多个权利要求的方法，其特征在于，所述贝塞尔束是电磁波束。15.根据前面的一个或多个权利要求的方法，其特征在于，所述恒定场是电场。16.根据前面的一个或多个权利要求的方法，其特征在于，所述恒定场是磁场。17.根据前面的一个或多个权利要求的方法，其特征在于，所述贝塞尔束是重力波束。18.根据前面的一个或多个权利要求的方法，其特征在于，所述贝塞尔束是表示基本粒子的波束。19.根据前面的一个或多个权利要求的方法，其特征在于提供多于一个有驻波场存在的限定的空间区域；关于定义多于一个的纵向间隔并提供函数F(z)来描述对应着多于一个的纵向间隔的所述波场强度模式，所述各纵向间隔彼此间隔所希望的距离，并通过应用所述函数F(z)来执行前面的一个或多个权利要求中的步骤。20.根据前面的一个或多个权利要求的方法，其特征在于，贝塞尔束的所述叠加中的贝塞尔束为零阶贝塞尔束。21.根据前面的一个或多个权利要求的方法，其特征在于，贝塞尔束的所述叠加中至少一部分还包括高于零阶贝塞尔束的高阶贝塞尔束。22.根据前面的一个或多个权利要求的方法，其特征在于，贝塞尔束的所述叠加中所有的或一些贝塞尔束为高于零阶的高阶贝塞尔束，特别是二阶、三阶或四阶。23.产生具有任意形状的驻波场的源的生成方法，包括下列步骤提供一个源用于生成频率为α0的单一贝塞尔束；产生包括多于一个的所述贝塞尔束的源的阵列，配置贝塞尔束源的所述阵列中的每个源，以便获得被发射的贝塞尔束的所希望的预定的的幅度、相位和纵向系数或波数，所述被发射的贝塞尔束参与根据权利要求1到22所述的方法步骤所定义的贝塞尔束的所述叠加。24.根据权利要求23的方法，其中只有纵向波数被确定，而横向波数用方程(3)来计算。25.根据权利要求23或24的方法，其特征在于下列步骤a)定义至少一个空间区域，在所述束传播轴的方向上该区域是有限的，对应着0≤z≤L类型的纵向间隔；b)用函数F(z)定义一个强度模式，该模式对应着所述的至少一个的纵向间隔，用傅立叶展开或三角展开的方法进行近似该函数；c)提供贝塞尔束或具有高度的横向限制的其它束的一般性的叠加；d)计算在所定义的纵向间隔中获得用所述任意函数F(z)定义的所述强度模式而需要的被叠加的贝塞尔束的最大数目、所述叠加的每个贝塞尔束的幅度和相位、以及所述叠加的每个贝塞尔束的横向和纵向波数，F(z)描述了在所述纵向间隔内的纵向强度模式，并用所述的傅立叶展开或三角展开的方法来近似；e)提供多个贝塞尔束源或具有高度的横向限制的其它束的源，这些源对应着贝塞尔束或其它束的叠加中的贝塞尔束或其它束，所述贝塞尔束或其它束用于产生所希望的强度模式(在0≤z≤L之内)，该强度模式能用一个或多个“包络”在轴向和横向进行限定；通过上述的例如零阶贝塞尔束的叠加而自动地获得所述恒定场的横向局域化；f)每一个所述贝塞尔束或其它束的源，产生贝塞尔束或其它束的所述叠加中的一个具体的贝塞尔束或其它束；g)将所述的贝塞尔束的源或其它束的源排列成贝塞尔束或其它束的源的阵列，该阵列具有一个明确定义的空间关系(例如，在环形源的特别例子中，具有明确确定的半径和传递函数)；h)根据权利要求1到22中的一个或多个步骤，配置每一个贝塞尔束的源，以便产生贝塞尔束的所述叠加中的相应的具有特定的幅度、相位(或相对相位)、纵向和横向波数的贝塞尔束。26.根据权利要求25的方法，其中，在间隔0≤z≤L中选择函数F(z)，使之集中在小区域L1＜z＜L2之内，使得由一个或多个静态的子包络组成。27.根据权利要求25或26的方法，其中，所述贝塞尔束或者具有高度的横向限制的所述束有相同的频率。28.根据权利要求25或26的方法，其中，所述贝塞尔束或者具有高度的横向限制的所述束有不同的频率。29.根据权利要求25或26的方法，其中，所述贝塞尔束或者具有高度的横向限制的所述束有一定的带宽。30.根据权利要求25或26的方法，其中，所述贝塞尔束或者具有高度的横向限制的所述束被脉冲化。31.根据前面的权利要求23到24中的一个或多个权利要求的方法，其特征在于，一个初始的普通发生器产生合适的机械束或电磁束，并将这样的“入射束”引导到干涉器件，所述干涉器件由例如同心环形狭缝阵列构成，每个环形狭缝与透镜或超薄膜结合，作为贝塞尔束的叠加中的一个相应的贝塞尔束的源，(例如)所述环形狭缝间的空间关系、它们的宽度、以及甚至它们的能被这些膜控制的半径和传递函数，定义了由每个所述狭缝产生的贝塞尔束的幅度、相位、横向和纵向波数。32.根据前面的权利要求23到31中的一个或多个权利要求的方法，其特征在于，贝塞尔束或其它束的所述产生过程由全息元件，在光波和毫米波中，通过例如计算机生成的全息术(CGH)和空间光波调制器(SLM，)等器件，或由轴锥体加透镜或由需要或不需要透镜的换能器阵列来完成，因为由方程13给出的最终场在对合适的换能器的激发下直接生成在平面z＝0上。33.根据权利要求31的方法，其特征在于(例如)，产生贝塞尔束的所述叠加中的每个相应的贝塞尔束的同轴环形狭缝的所述阵列中的每个环形狭缝的半径，是根据方程(25)通过选择Q、α0、L和所述透镜焦距f的值来确定的，所述半径使得所述生成的贝塞尔束具有分别由权利要求8和9中的方程9和14给出正确的纵向和横向波数，同时，每个环形狭缝的所述传递函数，则为相应的贝塞尔束提供由权利要求8中的方程(12)给出的正确的幅度和相位。34.根据前面的权利要求22到33中的一个或多个权利要求的方法，其特征在于，每个所考虑的(例如)环形狭缝的传递函数由理论和实验来定义，使得它能确定由所述环形狭缝产生的贝塞尔束的相对相位和幅度，这样的环形狭缝的半径确定由它产生的贝塞尔束的纵向和横向波数；这些波数用根据前面的权利要求1到22中的一个或多个权利要求所述的方法来获得。35.根据前面的权利要求22到34中的一个或多个权利要求的方法，其特征在于，所述狭缝宽度αa对于调节由它产生的贝塞尔束的幅度值有贡献。36.根据前面的权利要求33到35中的一个或多个权利要求的方法，其特征在于，对于由第n个环形狭缝产生的贝塞尔束，根据本发明，定义一个装置特性系数αn，该系数由经验或由计算来确定所述的装置特性系数与所述传递函数有反比关系。37.根据前面的权利要求22到36中的一个或多个权利要求的方法，其特征在于，所述源束为激光束、或微波束、或声束、或伽马束、或x射线束、或射频束、或LW或MW束、或红外或近红外束或类似的束。38.根据前面的权利要求22到37中的一个或多个权利要求的方法，其特征在于，它提供产生电磁贝塞尔束的源；包括初始的普通的电磁束发生器，和(例如)有确定数目n的环形同心狭缝的阵列，该阵列与所述电磁束发生干涉，该阵列之后是电磁透镜；所述透镜具有焦距f和半径R；所述环形狭缝的总数n等于2N+1，其中，N为由权利要求8中的方程(10)给出的n的最大值；一般的第n个环形狭缝，其半径an依赖于它的指数n，并依赖于Q、L和f；整数n被包含在由下面的关系所定义的范围-N≤n≤N由(例如)所述环形狭缝阵列产生的所述波场或强度模式用下面的贝塞尔束的叠加来定义ψ(ρ,z,t)=eiω0tΣn=-NNΛnTnJ0(kρnρ)etβmz---(20)]]>其中，Tn为每个环形狭缝的传递函数，能调节被发射的贝塞尔束的幅度和相位，并且对于每个狭缝而言都被认为是常数，而Λn为常数，依赖于装置的特性；横向和纵向波数由下式给出kρn=ω0cαnf---(22)]]>和βn2=ω02c2-kρ2---(23)]]>具有小的宽度、足以引起明显衍射的第n个环形源的特征半径由下面的式子给出αn=f1-c2ω02(Q+2πLn)2---(25)]]>每个环形狭缝的传递函数决定由所述相应的第n个狭缝所发射的第n个贝塞尔束的正确的幅度和相位，该传递函数通过下面的方程来计算Tn=AnΛn=1LΛn∫0LF(z)e-i2πLnzdz---(26)]]>其中An为系数，由下式定义An=1L∫0LF(z)e-i2πLnzdz---(12)]]>F(z)为一个函数，描述在所希望的局域化空间区域内的所希望的波场或强度模式，它对应着所述预定的纵向间隔，Λn为确定的装置系数；这意味着，每个Λn都是复数的乘法常数，它产生传递函数为1的第n个环形狭缝所生成的贝塞尔束的幅度和相位。39.根据权利要求38的方法，其中，所述确定的装置系数在αa几乎为零时近似地定义为Λn=αnω0exp[iω0αn22cf]2πcfi---(21)]]>其中an为第n个环形狭缝的半径，μ0为电磁束的频率，f为所述透镜的焦距，c为真空中或可能的介质中的光速。40.根据前面的权利要求22到39中的一个或多个权利要求的方法，其特征在于，相对于所述束传播的方向，有一个透镜位于所述环形狭缝阵列之后。41.根据权利要求22的方法，其特征在于，提供点状(例如)环形换能器或狭缝的阵列，每个所述的点状离散的狭缝或换能器被以确定相位和强度来激发，以便产生一个全局性的叠加效应，类似于由连续的同轴狭缝的阵列所产生的叠加效应；所述激发的形式，由权利要求9中的函数叠加方程(13)在z＝0时给出。42.根据权利要求41的方法，其特征在于，所述点状发射体为，例如，陶瓷的或半导体基的超声波发生点、微波天线、微米或纳米偶极子、光子点、宏观、微观、或纳米格子、或类似物。43.采用前面的权利要求1到42中所述的一个或多个权利要求中的方法来产生的具有任意形状的驻波场的源，其特征在于，它包含贝塞尔束源或具有高度的横向限制的其它束源的阵列，每个源产生一个具有不同幅度、相位、纵向波数和横向波数等参数的贝塞尔束或其它束；驱动每个源产生一个贝塞尔束的装置，所述贝塞尔束的频率等同于或不同于由所述阵列的其它源所产生的其它的贝塞尔束的频率。44.根据权利要求43的源，其特征在于，贝塞尔束源的所述阵列形式为(例如)一组环形同心的或同轴的源，每个环形源产生一个具有...
【专利技术属性】
技术研发人员：E雷卡米，MR赞伯尼，HEE菲格罗斯，V阿巴特，CA达尔托拉，KS诺布雷加，M马蒂乌齐，
申请(专利权)人：布雷克成像有限公司，
类型：发明
国别省市：IT[意大利]
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