一种用于产生具有规定特性的空间双螺旋焦场的方法技术

本发明专利技术提供了一种用于产生具有规定特性的空间双螺旋焦场的方法，包括4π聚焦系统，所述4π聚焦系统是由两个完全相同、左右对称且共轴放置的高数值孔径物镜组成；将由磁单元组成的虚拟螺旋天线放置在4π聚焦系统的焦区，并计算所构成的虚拟螺旋天线产生的辐射场，辐射场通过左右对称的两个高数值孔径物镜完全收集并准直到光瞳面上，通过反转求解所述虚拟螺旋天线产生的辐射场，获得光瞳面上的入射场分布；实现所述入射场并作为整个4π聚焦系统的入射光束，经透镜反向传播且在4π聚焦系统焦区汇聚，形成所需的双螺旋焦场；应用本技术方案可实现不需要经过数据的迭代优化，可灵活定制出指向、长度可控的线状双螺旋焦场和半径、周期可控的环状双螺旋焦场。径、周期可控的环状双螺旋焦场。径、周期可控的环状双螺旋焦场。

【技术实现步骤摘要】
一种用于产生具有规定特性的空间双螺旋焦场的方法


[0001]本专利技术涉及光焦场定制
，特别是一种用于产生具有规定特性的空间双螺旋焦场的方法。

技术介绍

[0002]一种被高强度光强所包围的甜甜圈焦点由于其可用作超分辨率率显微镜的擦除光束以及在暗光学捕获、粒子捕获和光镊等领域具有重要的应用价值，已经得到了广泛的研究。2011年，Wang J M等人通过优化振幅后的三组对称放置的共定位磁
‑
电偶极子组合的辐射场，建立了超长衍射限制的空心光管。2019年，Yu Y Z等人利用虚拟磁电流源天线，提出了一种用于生成具有预定特性的二维甜甜圈焦点阵列和空心光管阵列的方法。
[0003]对于双螺旋结构的研究，曾有学者公开过相关报道。例如，Barbieri N等人利用
±
1涡旋相位板在共路径干涉系统中产生了非衍射双螺旋光束。Samanta K等人采用相位控制干涉技术形成了六边形阵列的双螺旋结构。
[0004]在上述及其他关于产生双螺旋结构的光学现象中，所采用的方法需要经过参数优化且设计过程缺乏灵活性，限制了其在实际需求中的应用。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种用于产生具有规定特性的空间双螺旋焦场的方法，实现不需要经过数据的迭代优化，可灵活定制出指向、长度可控的线状双螺旋焦场和半径、周期可控的环状双螺旋焦场。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用于产生具有规定特性的空间双螺旋焦场的方法，包括4π聚焦系统，所述4π聚焦系统是由两个完全相同、左右对称且共轴放置的高数值孔径物镜组成；将由磁单元组成的虚拟螺旋天线放置在4π聚焦系统的焦区，并计算所构成的虚拟螺旋天线产生的辐射场，该辐射场通过左右对称的两个高数值孔径物镜完全收集并准直到光瞳面上，通过反转求解所述虚拟螺旋天线产生的辐射场，获得光瞳面上的入射场分布；实现所述入射场并作为整个4π聚焦系统的入射光束，经透镜反向传播且在4π聚焦系统焦区汇聚，形成所需的双螺旋焦场。
[0007]在一较佳的实施例中，首先利用电磁对偶性原理和天线电磁辐射理论推算出沿X轴、Y轴和Z轴放置的单个磁单元的远场辐射场表达式为：
[0008][0009]其中是辐射场中沿着θ方向的单位矢量，是辐射场中沿着方向的单位矢量；那么相应空间指向磁单元的辐射场由下列式子表示：
[0010][0011]式中,θ0为磁单元与XOY平面之间的夹角,为磁单元在XOY平面上的投影与X轴的夹角。
[0012]在一较佳的实施例中，若将N个上述的磁单元按照固定角度差递进旋转且线性排列，其中第n个磁单元所旋转的角度为ω＝(n
‑
1)
×
15
°
,进而得到线螺旋天线，线螺旋天线的空间指向为长度为L，且其中心点位于坐标原点，其中θ
l
为线螺旋天线与XOY平面之间的夹角，为线螺旋天线在XOY平面上的投影与X轴的夹角；
[0013]则整个线螺旋天线的总辐射场为：
[0014][0015]当线螺旋天线沿Z轴时，即满足θ
l
＝0，公式(3)改写为：
[0016][0017]当线螺旋天线位于XOY平面上时，即满足公式(3)改写为：
[0018][0019]式中代表螺旋天线中第n个磁单元的辐射场，结合公式(1)，得到：
[0020][0021]其中和表示第n个磁单元的空间指向，且满足以下关系式：
[0022][0023]若将上述的线螺旋天线按照圆形轨迹进行头尾相连，进而得到环螺旋天线；结合公式(6)，环螺旋天线的辐射场计算为：
[0024][0025]式中，为波数,R为环螺旋天线的半径，则中所包含的参数中所包含的参数满足以下新条件：
[0026][0027]其中，T表示环螺旋天线的周期。
[0028]在一较佳的实施例中，将虚拟螺旋天线放置于4π聚焦系统的共焦处附近，其总辐射场经两个相同且对称的物镜完全收集并准直到瞳孔平面；反向求解出在归一化光瞳面上用作生成目标焦场所需的入射场分布用作整个系统的入射光束；
[0029]若上述物镜满足亥姆霍兹条件，其切趾函数为则入射场分布可以由式子(10)得到：
[0030][0031]利用德拜矢量理论，将式子(10)中所计算得到的入射场经4π聚焦系统反向紧聚焦后，获得双螺旋焦场的分布情况；
[0032][0033]其中，C0代表振幅常数，
[0034]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术可以通过反向聚焦螺旋天线的辐射场来实现，且很容易地计算出用于产生规定双螺旋焦场所需的入射场分布。数值结果表明，线状双螺旋焦场的指向和长度由线螺旋天线的参数和L控制。环螺旋天线参数R和T决定了环状双螺旋焦场的半径和周期。这类新型的双螺旋焦场在光学光刻、螺旋孤子、光学材料处理和光学成像等方面有潜在的应用价值。
附图说明
[0035]图1为本专利技术优选实施例的虚拟螺旋天线聚焦的原理图；
[0036]图2为本专利技术优选实施例的虚拟螺旋天线示意图；
[0037]图3为本专利技术优选实施例的Z轴向，长度为5λ的线状双螺旋焦场3D图；
[0038]图4为本专利技术优选实施例的图3的YZ面侧视图；
[0039]图5为本专利技术优选实施例的XOY面(90
°
,45
°
)，长度为5.5λ的线状双螺旋焦场3D图；
[0040]图6为本专利技术优选实施例的图5的XY面俯视图；
[0041]图7为本专利技术优选实施例的XOY面(90
°
,90
°
)，长度为6λ的线状双螺旋焦场3D图；
[0042]图8为本专利技术优选实施例的图7的XY面俯视图；
[0043]图9为本专利技术优选实施例的环状双螺旋焦场的3D图；
[0044]图10为本专利技术优选实施例的半径R＝4λ，周期T＝4的环状双螺旋焦场在XOY平面上的光强分布图；
[0045]图11为本专利技术优选实施例的半径R＝6λ，周期T＝6的环状双螺旋焦场在XOY平面上的光强分布图；
[0046]图12为本专利技术优选实施例的半径为4λ的环状双螺旋焦场所需的入射场分布图；
[0047]图13为本专利技术优选实施例的半径为6λ的环状双螺旋焦场所需的入射场分布图。
具体实施方式
[0048]下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。
[0049]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0050]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于产生具有规定特性的空间双螺旋焦场的方法，其特征在于包括4π聚焦系统，所述4π聚焦系统是由两个完全相同、左右对称且共轴放置的高数值孔径物镜组成；将由磁单元组成的虚拟螺旋天线放置在4π聚焦系统的焦区，并计算所构成的虚拟螺旋天线产生的辐射场，该辐射场通过左右对称的两个高数值孔径物镜完全收集并准直到光瞳面上，通过反转求解所述虚拟螺旋天线产生的辐射场，获得光瞳面上的入射场分布；实现所述入射场并作为整个4π聚焦系统的入射光束，经透镜反向传播且在4π聚焦系统焦区汇聚，形成所需的双螺旋焦场。2.根据权利要求1所述的一种用于产生具有规定特性的空间双螺旋焦场的方法，其特征在于，首先利用电磁对偶性原理和天线电磁辐射理论推算出沿X轴、Y轴和Z轴放置的单个磁单元的远场辐射场表达式为：其中是辐射场中沿着θ方向的单位矢量，是辐射场中沿着方向的单位矢量；那么相应空间指向磁单元的辐射场由下列式子表示：式中,θ0为磁单元与XOY平面之间的夹角,为磁单元在XOY平面上的投影与X轴的夹角。3.根据权利要求2所述的一种用于产生具有规定特性的空间双螺旋焦场的方法，其特征在于，若将N个上述的磁单元按照固定角度差递进旋转且线性排列，其中第n个磁单元所旋转的角度为ω＝(n
‑
1)
×
15
°
,进而得到线螺旋天线...

【专利技术属性】
技术研发人员：余燕忠，谢志雄，
申请(专利权)人：泉州师范学院，
类型：发明
国别省市：