一种任意自旋指向超衍射极限光焦斑的实现方法技术

本发明专利技术涉及光焦斑的生成技术领域，本发明专利技术公开了一种任意自旋指向超衍射极限光焦斑的实现方法，方法包括将一对正交的偶极子对放置在以光学聚焦系统中心点为原点的空间上，且偶极子对的馈电电流相位相差π/2；将正交偶极子对绕原点进行旋转；光学聚焦系统将旋转后的偶极子对产生的辐射场收集并准直到光学聚焦系统的入瞳面，并弯折效应以求得入瞳面的辐射场；基于时间反演技术，反转入瞳面的辐射场，并用相对π相移从光学聚焦系统的入瞳面两侧向两物镜共焦区反向传播汇聚；基于Richard

【技术实现步骤摘要】
一种任意自旋指向超衍射极限光焦斑的实现方法


[0001]本专利技术涉及光焦斑的生成
，尤其涉及一种利用偶极子对的辐射场来构建任意自旋指向超衍射极限光焦斑的实现方法。

技术介绍

[0002]光是一种电磁波，具有线动量和角动量两种重要的动力学参量。在光与物质的相互作用中，线动量和角动量发挥重要的作用，比如光学加工、光学捕获、光学操控等。光的角动量包括自旋角动量和轨道角动量，分别与光的圆偏振态和涡旋位相分布有关。在光学操控领域，通过控制光的自旋角动量使粒子绕自身轴旋转，是一种重要的光学操控方式。
[0003]一般由光子的自旋角动量导致的旋转轴是平行于光的传播方向，称为纵向自旋角动量。2012年，学者Konstantin Y. Bliokh和Franco Nori在真空和金属介质表面的倏逝场中发现了垂直于传播方向的横向自旋角动量，引起了众多学者的关注，后来陆续在表面等离激元、波的干涉场和聚焦光场中发现垂直于光传播方向的自旋角动量。光子横向自旋角动量的发现，拓展了光学操控的自由度，在粒子操纵、光子自旋
‑
轨道耦合、量子光通信等方面引起广泛的研究。
[0004]在高数值孔径的紧聚焦光场中，由于透镜对聚焦光线弯折作用，可以存在沿着光束传播方向的纵向电场分量，该分量与垂直光束传播方向的横向电场分量可构成圆偏振态，以形成横向自旋角动量。目前在公开报道中未见在紧聚焦光场中实现超衍射极限光焦斑的自旋角动量指向三维任意可调的方法。自旋角动量指向在三维空间任意可调，将极大提升光子控制粒子绕轴旋转操纵的灵活性，拓展其应用空间。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提供了一种任意自旋指向超衍射极限光焦斑的实现方法，该方法是利用正交偶极子对的辐射场，结合时间反演技术和Richard
‑
Wolf矢量衍射积分理论，在紧聚焦光场中实现自旋角动量的空间指向任意可调。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种任意自旋指向超衍射极限光焦斑的实现方法，该方法包括以下步骤：步骤1、由两个具有共焦区的物镜建立光学聚焦系统；步骤2、将一对正交的偶极子对放置在以光学聚焦系统中心点为原点的空间上，该偶极子对在该空间正交放置，并且偶极子对的馈电电流相位相差π/2；步骤3、将所述正交的偶极子对以光学聚焦系统的中心点为支点进行旋转；步骤4、所述光学聚焦系统将旋转后的偶极子对产生的辐射场收集并准直到光学聚焦系统的入瞳面，并根据透镜对光线的弯折效应以求得入瞳面的辐射场；步骤5、基于时间反演技术，反转入瞳面的辐射场，并用相对π相移从光学聚焦
系统的入瞳面两侧向两物镜共焦区反向传播汇聚，利用矢量衍射积分理论计算得到聚焦场数据，以能够在两物镜共焦区形成自旋指向任意可调的超衍射极限光焦斑。
[0007]进一步的，在步骤1中，所述光学聚焦系统由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，两个物镜的光轴处在同一直线上且共焦放置；在所述光学聚焦系统中建立参考直角坐标系；其中，所述参考直角坐标系的原点O为两个物镜的公共焦点；以光轴所在方向为轴，且轴垂直于平面；轴方向竖直向上，轴垂直于平面。
[0008]进一步的，在步骤1中，将一对正交的偶极子对放置在以光学聚焦系统中心点为原点的空间上的具体设置方式为：将其中一偶极子放置在轴上，另一偶极子放置在轴上。
[0009]进一步的，在步骤2中，将所述正交的偶极子对以光学聚焦系统的中心点为支点进行旋转,旋转具体的设置方式为：P点为参考直角坐标系中的任意点，则该P点的球坐标值为，其中为P点与原点O的距离，为射线OP与轴正向的夹角，为射线OP在平面的投影与轴正向的夹角；将参考直角坐标系的轴绕原点O沿轴和射线OP所构成的平面一步旋转角，轴旋转至OP指向；以射线OP作为旋转后新坐标系的轴，同时轴同步旋转到轴，轴同步旋转至轴，即偶极子对的空间位置随参考直角坐标系的轴和轴同步旋转，旋转后的偶极子对分别位于新坐标系的轴和轴。
[0010]进一步的，在步骤3中，旋转后的偶极子对产生的辐射场的计算方式具体如下： 轴与参考直角坐标系、和轴的夹角分别为、和,轴与参考直角坐标系、和轴的夹角分别为、和，经详细推导得到：
ꢀꢀ
（1） （2）偶极子位于参考直角坐标系的x、y和z轴，其辐射场分别为、
和，计算公式分别如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（ 3）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）C为与辐射场方向无关的常数；旋转后位于轴的偶极子的辐射场为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）旋转后位于轴的偶极子的辐射场为：（7）考虑偶极子对馈电电流相位相差π/2，则偶极子对的辐射场为：
ꢀꢀ
ꢀ（8）其中为虚数单位。
[0011]进一步的，在步骤4中，所述入瞳面的辐射场的计算方式具体如下：根据透镜对光线的弯折效应以求得入瞳面的辐射场为：
ꢀꢀꢀꢀ
(9)其中，为入瞳面的极坐标， 为物镜的切趾函数，为偶极子对的辐射场。
[0012]进一步的，在步骤5中，基于Richard
‑
Wolf矢量衍射积分理论，可计算得到共焦区电场分布： (10)其中，j为虚数单位，λ为波长，为物镜最大汇聚角，为入瞳面的辐射场，为入瞳面的极坐标， 为物镜的切趾函数。
[0013]进一步的，在步骤5中，根据计算所得的共焦区电场，以计算焦场的自旋角动量密度，自旋角动量密度的计算公式如下：
ꢀꢀ
(11)
其中，式中和为焦场的电场矢量及其共轭矢量，和为焦场的磁场矢量及其共轭矢量，为高斯单位，为取虚部操作；而后，再根据计算出焦场的自旋角动量密度以定量评估共焦区电场的自旋指向，通过式（11）计算得到共焦区电场的自旋角动量的、和的三个分量、和，进而可以定量评估与、和轴的夹角，即方向角。
[0014]由上述对本专利技术结构的描述可知，和现有技术相比，本专利技术具有如下优点：本专利技术综合正交偶极子对的辐射场、时间反演技术和Richard
‑
Wolf矢量衍射积分理论，通过设计正交偶极子对中心点位于聚焦系统的中心点，即参考直角坐标系的原点；偶极子对空间上正交放置，馈电电流相位相差π/2；偶极子对所在平面法线的空间指向可任意设置，其中为法线与Z轴（光轴）的夹角，为法线在XOY平面的投影与X轴的夹角；偶极子对的辐射场被聚焦系统收集并准直到聚焦系统的入瞳面；反转此时入瞳面的辐射场，并用相对π相移从光学聚焦系统光瞳两侧向共焦区反向传播汇聚，可在共焦区形成自旋指向任意可调的超衍射极限光焦斑，其光强3D轮廓为长轴0.48λ、短轴0.41λ的短椭球体；因此，通过本专利技术方法无需复杂的优化过程，且生成的超衍射极限光焦斑的自旋指向可任意调整，依本专利技术方法所定制的光焦斑在光学操控等领域具有广泛的应用潜力。
附图说明
[0015]构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种任意自旋指向超衍射极限光焦斑的实现方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、由两个具有共焦区的物镜建立光学聚焦系统；步骤2、将一对正交的偶极子对放置在以光学聚焦系统中心点为原点的空间上，该偶极子对在该空间正交放置，并且偶极子对的馈电电流相位相差π/2；步骤3、将所述正交的偶极子对以光学聚焦系统的中心点为支点进行旋转；步骤4、所述光学聚焦系统将旋转后的偶极子对产生的辐射场收集并准直到光学聚焦系统的入瞳面，并根据透镜对光线的弯折效应以求得入瞳面的辐射场；步骤5、基于时间反演技术，反转入瞳面的辐射场，并用相对π相移从光学聚焦系统的入瞳面两侧向两物镜共焦区反向传播汇聚，利用矢量衍射积分理论计算得到聚焦场数据，以能够在两物镜共焦区形成自旋指向任意可调的超衍射极限光焦斑。2.根据权利要求1所述的一种任意自旋指向超衍射极限光焦斑的实现方法，其特征在于：在步骤1中，所述光学聚焦系统由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，两个物镜的光轴处在同一直线上且共焦放置；在所述光学聚焦系统中建立参考直角坐标系；其中，所述参考直角坐标系的原点O为两个物镜的公共焦点；以光轴所在方向为轴，且轴垂直于平面；轴方向竖直向上，轴垂直于平面。3.根据权利要求2所述的一种任意自旋指向超衍射极限光焦斑的实现方法，其特征在于：在步骤1中，将一对正交的偶极子对放置在以光学聚焦系统中心点为原点的空间上的具体设置方式为：将其中一偶极子放置在轴上，另一偶极子放置在轴上。4.根据权利要求3所述的一种任意自旋指向超衍射极限光焦斑的实现方法，其特征在于：在步骤2中，将所述正交的偶极子对以光学聚焦系统的中心点为支点进行旋转；旋转具体设置方式为：P点为参考直角坐标系中的任意点，其球坐标值为，其中为P点与原点O的距离，为射线OP与轴正向的夹角，为射线OP在平面的投影与轴正向的夹角；将参考直角坐标系的轴绕原点O沿轴和射线OP所构成的平面一步旋转角，轴旋转至OP指向；以射线OP作为旋转后新坐标系的轴，同时轴同步旋转到轴，轴同步旋转至轴，即偶极子对的空间位置随参考直角坐标系的轴和轴同步旋转，旋转后的偶极子对分别位于新坐标系的轴和轴。5.根据权利要求4所述的一种任意自旋指向超衍射极限光焦斑的实现方法，其...

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