一种用于产生可控的空间光圆环方法

本发明涉及新颖光焦场定制，特别是一种用于产生可控的空间光圆环方法。

背景技术：

1、基于richards-wolf提出的矢量衍射理论，发现利用高数值孔径物镜聚焦矢量光束将得到很强的纵向分量，这项研究首次挖掘出了矢量光场在紧聚焦领域的应用价值，使得矢量光场研究领域急速升温。

2、近年来，一些具有特定型态的光焦场，诸如多焦点阵列、光针、光管等光焦场，在粒子囚禁与捕获、粒子加速、光刻加工等方面具有重要的应用。2009年,chen w b和zhan q w首次利用电偶极子天线辐射方向图在4pi聚焦系统中产生球形光斑。yuy z等人于2019年报道了一种利用电偶极子阵列天线的辐射场产生具有可控特性的二维圆阵列焦斑。2022年，xia x l等人对柱矢量光的两组径向偏振光和角向偏振光分别进行聚焦调控，再将两组偏振光场以适当的振幅比例在焦区叠加，从而合成准球形多焦点阵列。目前，人们对紧聚焦领域的亮斑、光针、光链、光管等特殊形态的光焦场给予了很多的关注。然而，较少的研究集中在光圆环焦场上，面对一些更高级应用，上述公开的报道中缺乏简单性和灵活性，已不能完全满足需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于产生可控的空间光圆环方法，实现半径、位置、环数和层数可控的光圆环焦场,期望满足部分更高级应用的需求，进一步提升光场在微纳结构加工领域的效率。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于产生可控的空间光圆环方法，采用4pi光学聚焦系统，所述4pi光学聚焦系统包括两个相同且左右对称放置且共焦的高数值孔径物镜，还包括两个分别沿x轴、y轴放置的电偶极子正交复叠加组成的天线阵元；所述天线阵元构成虚拟圆环阵列并放置在光学聚焦系统的焦体积中心，并且计算出该虚拟圆环阵列产生的总辐射场，再由左右对称的高数值孔径物镜完全收集该虚拟圆环阵列产生的辐射场并准直到光瞳面上，通过反向求解所述的辐射场，求得在两侧光瞳面上的入射场分布；将所得到的入射场反转并相对π相移后将用于整个4pi光学聚焦系统的输入，从光瞳面经过透镜向4pi光学聚焦系统中心聚焦，以形成期望的光圆环焦场。

3、在一较佳的实施例中，由正交复叠加电偶极子阵元构成圆环阵列，利用天线辐射理论推导计算，正交复叠加电偶极子阵元的辐射场表达式为:

4、

5、将与辐射系数无关的cx和cy归一化为1；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；因此整理后会得到以下式子:

6、

7、结合空间任意位置的阵列因子,根据天线阵列方向图乘积定理，得由正交复叠加电偶极子阵元构成的圆环阵列的阵列因子为:

8、

9、其中k＝2π/λ代表波数，θ表示天线辐射方向与z轴之间的夹角，表示其方位角；h表示圆心坐标的个数，(xh,yh,zh)代表圆环圆心位置的空间笛卡尔坐标，m代表圆环阵列的环数，rm代表圆环阵列各环的半径,以及n代表构成对应环所需要的正交复叠加电偶极子的阵元个数，当n满足n≥14rm/λ，即形成半径为rm的强度均匀分布的光圆环，表示圆环阵列中从x轴正半轴起始到第n个正交复叠加电偶极子阵元的方位角，由此得空间光圆环阵列的总辐射场为：

10、

11、假设圆环阵列位于4pi光学聚焦系统的焦点附近，虚拟圆环阵列产生的总辐射场被两个完全对称的高数值孔径物镜所收集并准直到光瞳面上，通过时间反演技术，反向求解虚拟圆环阵列的辐射场，进而求得在两侧光瞳面的入射场用于整个4pi光学聚焦系统的输入。

12、在一较佳的实施例中，对于满足亥姆霍兹条件的高数值孔径透镜，利用其切趾函数求得归一化光瞳面上的入射场分布为：

13、

14、该入射场分布可以通过空间光调制技术和微纳光信息调控的新型超表面技术来实现。

15、在一较佳的实施例中，最后，将上述所需的入射场作为整个4pi光学聚焦系统的输入场，反向传播并聚焦，通过理查兹-沃尔夫矢量衍射法计算出所对应的焦场为：

16、

17、

18、

19、其中c0为振幅常数，分别代表着在焦平面上的观测点处沿x向，y向，z向的场分量。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种用于产生可控的空间光圆环方法，在4pi光学聚焦系统中，通过反向聚焦虚拟圆环阵列的辐射场，从而灵活实现半径、位置、环数和层数可控的光圆环焦场,期望满足部分更高级应用的需求，进一步提升光场在微纳结构加工领域的效率。

技术特征：

1.一种用于产生可控的空间光圆环方法，其特征在于，采用4pi光学聚焦系统，所述4pi光学聚焦系统包括两个相同且左右对称放置且共焦的高数值孔径物镜，还包括两个分别沿x轴、y轴放置的电偶极子正交复叠加组成的天线阵元；所述天线阵元构成虚拟圆环阵列并放置在光学聚焦系统的焦体积中心，并且计算出该虚拟圆环阵列产生的总辐射场，再由左右对称的高数值孔径物镜完全收集该虚拟圆环阵列产生的辐射场并准直到光瞳面上，通过反向求解所述的辐射场，求得在两侧光瞳面上的入射场分布；将所得到的入射场反转并相对π相移后将用于整个4pi光学聚焦系统的输入，从光瞳面经过透镜向4pi光学聚焦系统中心聚焦，以形成期望的光圆环焦场。

2.根据权利要求1所述的一种用于产生可控的空间光圆环方法，其特征在于，由正交复叠加电偶极子阵元构成圆环阵列，利用天线辐射理论推导计算，正交复叠加电偶极子阵元的辐射场表达式为:

3.根据权利要求2所述的一种用于产生可控的空间光圆环方法，其特征在于，对于满足亥姆霍兹条件的高数值孔径透镜，利用其切趾函数求得归一化光瞳面上的入射场分布为：

4.根据权利要求3所述的一种用于产生可控的空间光圆环方法，其特征在于，最后，将上述所需的入射场作为整个4pi光学聚焦系统的输入场，反向传播并聚焦，通过理查兹-沃尔夫矢量衍射法计算出所对应的焦场为：

技术总结
本发明提供了一种用于产生可控的空间光圆环方法，采用4Pi光学聚焦系统，所述4Pi光学聚焦系统包括两个高数值孔径物镜，还包括天线阵元；天线阵元构成虚拟圆环阵列并放置在光学聚焦系统的焦体积中心，计算出该虚拟圆环阵列产生的总辐射场，再由高数值孔径物镜收集该虚拟圆环阵列产生的辐射场并准直到光瞳面上，通过反向求解辐射场，求得在两侧光瞳面的入射场分布；将所得到的入射场反转并相对π相移后将用于整个4Pi光学聚焦系统的输入，从光瞳面向4Pi光学聚焦系统中心聚焦，以形成光圆环焦场。应用本技术方案可实现半径、位置、环数和层数可控的光圆环焦场,期望满足部分更高级应用的需求，进一步提升光场在微纳结构加工领域的效率。

技术研发人员：余燕忠,谢志雄
受保护的技术使用者：泉州师范学院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27