[发明专利]一种空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法

权利要求书

1.一种空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法，其特征在于，由两个高数值孔径物镜建立4P_i光学聚焦系统，在所述4P_i光学聚焦系统的共焦区放置空间指向和几何长度可定制的虚拟均匀磁流线源天线，所述虚拟均匀磁流线源天线产生的辐射场被两个物镜完全收集并准直到光瞳面；基于时间反演技术，逆转虚拟均匀磁流线源天线辐射场求得光瞳面的入射场；实现所述入射场，从光瞳面入射，经4P_i光学聚焦系统传播并在共焦区汇聚，在4P_i光学聚焦系统的共焦区形成期望的光管焦场；

在4P_i光学聚焦系统的共焦区建立笛卡尔坐标系统，其中原点为两个物镜的公共焦点，XOY平面为与物镜平行的焦平面，Y轴竖直向上，Z轴在光轴上，X轴垂直于YOZ平面；在所述笛卡尔坐标系统放置一虚拟均匀磁流线源天线，其中心点位于坐标原点，几何长度为L，磁流大小为I_m,空间指向为其中θ₀为虚拟均匀磁流线源天线与Z轴的夹角，为其在XOY平面的投影与X轴的夹角；所述虚拟均匀磁流线源天线的空间指向和几何长度均可定制；

利用空间指向电基本振子的辐射场，通过电磁对偶性原理，求得空间指向磁基本振子的辐射场，然后再将所述磁基本振子的辐射场，沿着虚拟均匀磁流线源天线的几何长度进行线积分累加，得到所定制虚拟均匀磁流线源天线的总辐射场；

所述空间指向电基本振子的辐射场如式(1)所示：

其中：

式中，μ₀为自由空间导磁率，为自由空间的相移常数，w为角频率，电基本振子长度为Δl_e，电流大小为I_e，为辐射源所在方向的单位矢量，为辐射场的球坐标，为球坐标的单位矢量，因为磁场强度与电场强度有如下关系：

式中为波阻抗，ε₀为自由空间介电常数，且有：

从而电基本振子的磁场强度：

根据电磁对偶性原理，将电基本振子的辐射场作如下转换后，得到磁基本振子的辐射场：

因此，空间指向磁基本振子的辐射场为：

其中磁基本振子长度为Δl_m，磁流大小为l_m；

计算虚拟均匀磁流线源天线上T点的辐射场，已知原点处的磁基本振子的辐射场如式(8)所述，则T点的辐射场为：

其中：

令F_mt分母中的R≈r，且指数中的则：

其中，l'为均匀磁流线源的长度变量，为辐射场的矢径；

则：

则虚拟均匀磁流线源天线总的辐射场即是对在整个L长度上进行线积分累加，即：

式中，F_mo为与辐射方向图无关的系数，为虚拟均匀磁流线源天线作为连续性线源的阵因子，和分别为虚拟均匀磁流线源天线在和方向的方向图元因子；

在归一化光瞳面上，用于产生光管焦场所需的入射场分布的计算公式为：

若高数值孔径物镜满足亥姆霍兹条件，则物镜的切趾函数P(θ)为：

则入射场为：

从而通过所述虚拟均匀磁流线源天线的辐射场，得到光瞳面的入射场。

2.根据权利要求1所述的一种空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法，其特征在于，所述4P_i光学聚焦系统采用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，两个物镜的光轴在同一直线上且共焦放置，4P_i光学聚焦系统两侧光瞳面入射场的相位相差180°。

3.根据权利要求1所述的一种空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法，其特征在于，所述入射场利用空间光调制技术和基于微纳光信息调控的超表面技术来实现。

4.根据权利要求1所述的一种空间指向和长度可定制的光管焦场产生方法，其特征在于，根据获得的入射场分布，基于德拜衍射积分理论，如式(17)计算获得焦区焦场的分布情况：