[发明专利]一种基于共线天线阵辐射理论构建可控的光针阵列方法

说明书

本发明涉及一种基于共线天线阵辐射理论构建可控的光针阵列方法，通过逆向聚焦位于4π聚焦系统焦区的虚拟共线天线阵的辐射场来实现，该天线阵各单元沿光轴方向放置，且各单元电流沿光轴方向均匀分布。第n段光针的长度及中心位置仅分别取决于共线阵中第n个阵元的长度及坐标位置。光针阵列中的光针数量等于天线阵中的阵元数目。每段光针是强纵向偏振且横向半高宽在整个焦深范围保持不变。本发明所产生的光针阵列可望用于多粒子加速、诱捕和操纵等。

技术领域

本发明涉及光针阵列的产生领域，特别是一种基于共线天线阵辐射理论构建可控的光针阵列方法。

背景技术

近年来，人们对柱对称矢量(CV)光束越来越感兴趣，因其具有新颖特性和广泛的应用。高数值孔径透镜对CV光束紧聚焦并在焦区产生光针成为重要的研究课题之一，因光针在粒子加速、光学诱捕和操纵方面有着广泛的应用。Wang等人首先报道了利用二元光学元件对径向CV光束紧聚焦后产生光针的方法。随后，产生各种各样的具有特定性质的单段光针的方法被提出来。最近，Yu等人提出利用分段均匀线源天线的辐射场实现分段光针的方法。

上述方法及现有技术中的其他方法均需要优化聚焦系统的相关参数，当要实现多段光针时，需要冗长的优化过程且缺少灵活性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于共线天线阵辐射理论构建可控的光针阵列方法，无需优化，且所产生的光针具有预定的特性，如光针数量、长度和位置等。

本发明采用以下方案实现：一种基于共线天线阵辐射理论构建可控的光针阵列方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：采用两个高数值孔径(NA)透镜组成4π聚焦系统；

步骤S2：在步骤S1的4π聚焦系统中，以其焦点为中心并沿z轴放置一虚拟共线天线阵；

步骤S3：所述虚拟共线天线阵从4π聚焦系统焦点向外辐射的电场，其电场由两个高数值孔径物镜收集并传播到透镜的光瞳平面上，并通过求解逆向问题推导出光瞳平面上的场分布

步骤S4：以光瞳平面上的场分布作为光瞳平面处的入射光场，反向聚焦到4π聚焦系统的焦点处，在焦区附近得到具有预定特性的光针阵列。

进一步地，步骤S2中，所述虚拟共线天线阵由N个阵元构成，并沿z轴排列，每个阵元上的电流分布和方向均相同(但是每个阵元可能存在不同的电流幅度和相位)；若第n个阵元以z＝z_n为中心，长度为l_n，并且在其长度上的归一化电流分布为i(z')和输入电流为I_n，则虚拟共线阵中第n个阵元的辐射场为：

式中，θ表示从z轴测量的辐射角，β＝2π/λ，λ为波长；式(1)是电流分布辐射方向图和激励电流的幅度与相位的乘积，最后一项因子表示相对于原点的空间相差。

进一步地，步骤S3中，所述虚拟共线天线阵从4π聚焦系统焦点向外辐射的电场，即虚拟共线天线阵的远区电场的表达式为：

式中，C＝jωμexp(-jβr)/4πr，θ表示从z轴测量的辐射角，是沿θ方向的单位矢量，ω表示圆频率，μ表示磁导率，r表示光瞳平面的径向坐标。

进一步地，当每个阵元上的电流分布是均匀恒定时，即I_n＝I₀，i(z')＝1，则虚拟共线天线阵的远区电场表达式为：

进一步地，步骤S3中，通过求解逆向问题推导出光瞳平面上的场分布具体为：设所述高数值孔径透镜满足亥姆霍兹条件r＝ftanθ，其中r和f分别表示光瞳平面中的径向坐标和透镜的焦距，则由此条件给出切趾函数于是，光瞳平面上的场分布由下式计算得到：