[发明专利]一种利用平面天线阵的辐射场产生二维同一焦斑阵列的方法

说明书

本发明涉及一种利用平面天线阵的辐射场产生二维同一焦斑阵列的方法，本发明首先采用两个高数值孔径透镜组成4π聚焦系统；然后在由两个高数值孔径透镜组成的4π聚焦系统的焦平面中央排列一个虚拟的平面天线阵；该天线阵辐射的电磁场向外传播到达像空间侧的透镜，并被两个所述高数值孔径透镜完全收集，接着继续传播到两个透镜的光瞳面上，得到光瞳面上的场分布；最后将光瞳面上的场分布视为入射场并逆向传输到焦区，在高数值孔径透镜的焦平面上产生具有预定特性的二维同一焦斑阵列。本发明采用无需优化的方法来生成具有预定数量、间距和位置的二维同一焦斑阵列。

技术领域

本发明涉及二维焦斑阵列的产生技术领域，特别是一种利用平面天线阵的辐射场产生二维同一焦斑阵列的方法。

背景技术

由高数值孔径(NA)透镜紧聚焦下产生的亚波长焦斑得到广泛的研究，因其在光学显微镜、光镊、光子捕获与操纵、单分子荧光光谱等方面有着重要应用。此外，在某些并行和同步处理的特定场合，需要一个特性可控的二维焦斑阵列。因此，许多创建二维焦斑阵列的方法被提出来。

在2000年，D.Fittinghoff等人提出了使用级联分束器的方法产生一个8×2的时间非相关焦斑阵列。2011年，H.Guo等人利用由非均匀偏振调制的两个正交偏振光束组成的复合矢量光束来控制焦斑数量和主偏振场。2013年，M.Cai等人在数值和实验上验证了由结构矢量光场紧聚焦后亚波长多焦斑的产生和调节；同年，J.Bar-David等人提出了一种产生径向偏振等离激元焦斑周期阵列的方法。2014年，L.Zhu等人提出了一种在透镜的后孔径处利用特殊设计的分形Talbor效应进行纯相位调制实现多焦斑阵列的方法；同年，K.Prabakaran等人提出建议，将贝塞尔-高斯光束经过复相位滤波，再用高数值孔径透镜紧聚焦后，便可产生多段亚波长焦斑。2015年，D.Zhang等人提出了一种利用径向偏振贝塞尔-高斯光束构建位置和偏振方向可控的多焦点阵列。

上述所报道的方法通常需要优化设计光学元件，从而达不到最佳效果。此外，上述方法所产生的阵列中的焦斑强度分布不够均匀，且焦斑的数量和位置不易操控。为了克服上述方法的局限性，我们提出了一种无需优化的方法来生成具有预定数量、间距和位置的二维同一焦斑阵列。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种利用平面天线阵的辐射场产生二维同一焦斑阵列的方法，采用无需优化的方法来生成具有预定数量、间距和位置的二维同一焦斑阵列。

本发明采用以下方案实现：一种利用平面天线阵的辐射场产生二维同一焦斑阵列的方法，包括以下步骤：

步骤S1：采用两个高数值孔径透镜组成4π聚焦系统；

步骤S2：在步骤S1的由两个高数值孔径(NA)透镜组成的4π聚焦系统的焦平面(XY平面)中央排列一个虚拟的平面天线阵；该天线阵辐射的电场向外传播到达像空间侧的透镜，并被两个所述高数值孔径透镜完全收集，接着继续传播到两个透镜的光瞳面上，得到光瞳面上的场分布其中，是球坐标，是光瞳面上的极坐标，θ表示辐射方向与Z轴(光轴)之间的夹角，表示方位角，ρ表示极径；

步骤S3：将步骤S2中的光瞳面上的场分布视为入射场并逆向传输到焦区，在高数值孔径透镜的焦平面上产生具有预定特性的二维同一焦斑阵列。

进一步地，步骤S2中，所述天线阵辐射的电场采用下式表示：

式中，C₀是与辐射方向图无关的系数，是沿θ方向的单位矢量，是元因子，是阵因子；对于电基本振子单元，

对于遵从亥姆霍兹条件的透镜，在球面波前上的投影函数g(θ)和切趾函数P(θ)为：

g(θ)＝tanθ；

则光瞳面上的场分布由下式计算得到：