CN115291386B - 一种实现同一光焦斑任意指向直线阵列的方法 - Google Patents

一种实现同一光焦斑任意指向直线阵列的方法 Download PDF

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CN115291386B CN202211231033.8A CN202211231033A CN115291386B CN 115291386 B CN115291386 B CN 115291386B CN 202211231033 A CN202211231033 A CN 202211231033A CN 115291386 B CN115291386 B CN 115291386B
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Abstract

本发明提供一种实现同一光焦斑任意指向直线阵列的方法,属于光焦斑阵列生成的技术领域;方法包括由两个具有共焦区的物镜建立
Figure 888708DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***;在
Figure 915569DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***的共焦区放置虚拟电流线源天线;其中,虚拟电流线源天线可任意指向,载波电流相位分布为均匀同相,幅度分布为周期性余弦渐削分布;
Figure 241508DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***将所述虚拟电流线源天线产生的辐射场收集并准直到光瞳面;基于时间反演技术,反转虚拟电流线源天线的辐射场求得光瞳面的入射场;将所述入射场从所述
Figure 404637DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***两侧的光瞳面入射,经所述
Figure 728302DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***传播并在共焦区汇集,从而形成期望的同一光焦斑直线阵列。通过该方法有利于灵活定制同一光焦斑的任意指向直线阵列。

Description

一种实现同一光焦斑任意指向直线阵列的方法
【技术领域】
本发明涉及光焦斑阵列生成的技术领域,特别涉及一种基于任意指向电流线源天线的辐射场来实现同一光焦斑任意指向直线阵列的方法。
【背景技术】
波前平面偏振态分布不均匀的新型矢量光场经光学紧聚焦之后可形成光焦斑、光暗斑、光学针等新型光焦场。特定形状的光焦场,比如光焦斑,在高密度存储、粒子加速、光学加工等方面具有广泛的应用潜力。
对于光焦斑的生成,科研人员曾公开报道生成光焦斑的相关方法。例如,NandorBokor等人于2004年报道选择不同的透镜,对径向偏振矢量光场进行紧聚焦产生单个近球形对称的光焦斑;Chen W B等人于2009年报道利用对称振子天线的辐射场来构建球形焦斑的方法,通过控制对称振子的长度,可生成位于光轴的单光焦斑或对称双光焦斑;Chen Z Y等人于2013年报道利用螺旋相位光学元件和环形滤光元件,反向聚焦角向偏振光束产生位于光轴、位置可调的单球形光焦斑;Yu Y Z等人于2019年报道一种利用轴向共线无限短均匀电流线源天线阵列的辐射场来生成位于光轴的同一光焦斑阵列焦场的方法。
在上述生成光焦斑的方法中,能够实现的光焦斑阵元数量有限;且光焦斑均位于Z轴,方向比较单一;部分还需要引入光学元件,优化相关参数;当面对需要径向或任意空间指向的应用场合,上述生成光焦斑的方法存在明显的局限性。鉴于上述存在的问题,本案发明人对该问题进行深入研究,遂有本案产生。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题,在于提供一种实现同一光焦斑任意指向直线阵列的方法,通过该方法有利于灵活定制同一光焦斑的任意指向直线阵列。
本发明是这样实现的:一种实现同一光焦斑任意指向直线阵列的方法,所述方法包括:
由两个具有共焦区的物镜建立
Figure 27535DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***;
在所述
Figure 210254DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***的共焦区放置虚拟电流线源天线;其中,所述虚拟电流线源天线可任意指向,载波电流相位分布为均匀同相,幅度分布为周期性余弦渐削分布;
所述
Figure 521150DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***将所述虚拟电流线源天线产生的辐射场收集并准直到光瞳面;基于时间反演技术,反转所述虚拟电流线源天线的辐射场求得光瞳面的入射场;
将所述入射场从所述
Figure 447518DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***两侧的光瞳面入射,经所述
Figure 793048DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***传播并在共焦区汇集,从而形成期望的同一光焦斑直线阵列;其中,从所述
Figure 881090DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***两侧光瞳面入射的所述入射场的相位相差180°。
进一步的,所述
Figure 679282DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***由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,两个物镜的光轴处在同一直线上且共焦放置;
在所述
Figure 409340DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***中建立参考直角坐标系;其中,所述参考直角坐标系的原点O为两个物镜的公共焦点;以光轴所在方向为Z轴,且Z轴垂直于XOY平面;Y轴方向竖直向上,X轴垂直于YOZ平面。
进一步的,所述虚拟电流线源天线的几何长度为
Figure 874957DEST_PATH_IMAGE002
,中心点位于所述参考直角坐标系的原点O;
所述虚拟电流线源天线的空间指向为
Figure 399479DEST_PATH_IMAGE003
,其中,
Figure 684967DEST_PATH_IMAGE004
为虚拟电流线源天线与光轴的夹角,
Figure 218716DEST_PATH_IMAGE005
为虚拟电流线源天线在XOY平面的投影与X轴的夹角;
所述虚拟电流线源天线电流分布的数学表达式如以下式(1):
Figure 273260DEST_PATH_IMAGE006
Figure 968684DEST_PATH_IMAGE007
(1)
其中,
Figure 475888DEST_PATH_IMAGE008
为电流振幅,
Figure 547750DEST_PATH_IMAGE009
为振幅分布周期数,
Figure 456800DEST_PATH_IMAGE010
为虚拟电流线源天线的位置变量,
Figure 323125DEST_PATH_IMAGE011
为电流相位因子。
进一步的,所述虚拟电流线源天线产生的辐射场,通过采用对虚拟电流线源天线的每个电流辐射单元的辐射场进行积分累加而得到,具体包括如下:
虚拟电流线源天线在
Figure 317625DEST_PATH_IMAGE010
处的电流辐射单元的长度为
Figure 193177DEST_PATH_IMAGE012
,电流为
Figure 691155DEST_PATH_IMAGE013
,空间指向为
Figure 993960DEST_PATH_IMAGE014
,则该电流辐射单元的辐射场表达式如以下式(2):
Figure 475757DEST_PATH_IMAGE015
(2)
其中:
Figure 889421DEST_PATH_IMAGE016
(3)
Figure 507484DEST_PATH_IMAGE017
(4)
Figure 981191DEST_PATH_IMAGE018
为自由空间导磁率,
Figure 950284DEST_PATH_IMAGE019
为相移常数,
Figure 167639DEST_PATH_IMAGE020
为角频率,
Figure 905787DEST_PATH_IMAGE021
为辐射场点到电流辐射单元的几何距离;
Figure 550395DEST_PATH_IMAGE022
为辐射场观测点的球坐标,
Figure 741205DEST_PATH_IMAGE023
Figure 496672DEST_PATH_IMAGE024
Figure 89327DEST_PATH_IMAGE025
为球坐标的单位矢量,电流辐射单元的辐射场只有
Figure 639257DEST_PATH_IMAGE024
Figure 582942DEST_PATH_IMAGE025
分量;
Figure 142100DEST_PATH_IMAGE026
为电流辐射单元所在空间指向的单位矢量;
因不同电流辐射单元的辐射远场方向近似相同,故对式(2)电流辐射单元的辐射场
Figure 854841DEST_PATH_IMAGE027
沿虚拟电流线源天线整个
Figure 575672DEST_PATH_IMAGE028
长度进行线积分累加,即可得整个虚拟电流线源天线的辐射场;其中,式子
Figure 741074DEST_PATH_IMAGE029
的分母部分取
Figure 838343DEST_PATH_IMAGE030
,指数部分取
Figure 671170DEST_PATH_IMAGE031
,即:
Figure 562903DEST_PATH_IMAGE032
(5)
则求得虚拟电流线源天线辐射场的积分运算如以下式(6):
Figure 215601DEST_PATH_IMAGE033
(6)
其中:
Figure 116561DEST_PATH_IMAGE034
令:
Figure 803894DEST_PATH_IMAGE035
(7)
Figure 866528DEST_PATH_IMAGE036
(8)
则虚拟电流线源天线的辐射场写作:
Figure 6522DEST_PATH_IMAGE037
(9)
其中,
Figure 445594DEST_PATH_IMAGE038
为与辐射方向图无关的系数,
Figure 987434DEST_PATH_IMAGE039
为周期性余弦渐削分布的虚拟电流线源天线作为连续性线源的阵因子,
Figure 220969DEST_PATH_IMAGE040
Figure 848259DEST_PATH_IMAGE041
分别为虚拟电流线源天线在
Figure 91022DEST_PATH_IMAGE042
Figure 487368DEST_PATH_IMAGE043
方向的方向图元因子。
进一步的,在
Figure 891805DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***的归一化光瞳面上,用于产生期望光焦场所需的入射场分布
Figure 6391DEST_PATH_IMAGE044
的计算公式如以下式(10):
Figure 52845DEST_PATH_IMAGE045
(10)
其中,
Figure 303697DEST_PATH_IMAGE046
Figure 144614DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***的物镜切趾函数,
Figure 480918DEST_PATH_IMAGE047
Figure 65483DEST_PATH_IMAGE048
分别为参考直角坐标系中x和y方向的单位矢量;当物镜满足亥姆霍兹条件,则物镜切趾函数
Figure 436421DEST_PATH_IMAGE049
进一步的,根据计算得到的入射场分布,基于德拜衍射积分理论,通过以下式(11)计算获得焦区焦场的分布情况:
Figure 448240DEST_PATH_IMAGE050
(11)。
通过采用本发明的技术方案,至少具有如下有益效果:
本发明方法综合天线辐射理论、时间反演技术以及矢量光场的紧聚焦理论,通过设计虚拟电流线源天线可任意指向,载波电流相位分布为均匀同相,幅度分布为周期性余弦渐削分布,周期数为
Figure 537418DEST_PATH_IMAGE009
;同时利用搭建的
Figure 660095DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***将虚拟电流线源天线的辐射场收集并准直到光瞳面,再将辐射场反转并用相对
Figure 619961DEST_PATH_IMAGE051
相移从
Figure 68260DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***两侧光瞳面向焦区传播,从而形成期望的同一光焦斑直线阵列。因此,通过本发明方法有利于灵活定制同一光焦斑的任意指向直线阵列,且定制出的同一光焦斑的任意指向直线阵列具有广泛的应用潜力;同时本发明方法是无需优化的,且构建出的光焦斑轮廓相似,直线阵列方向可指定,阵元数目可定制,阵元间距可调整。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明
Figure 379155DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***的示意图;
图2是本发明实施例一中X轴向阵列光焦斑的3D图;
图3为图2的XY面的侧视图;
图4是本发明实施例二中Y轴向阵列光焦斑的3D图;
图5是本发明实施例三中Z轴向阵列光焦斑的3D图;
图6是本发明实施例三中Z轴向焦场的XOZ平面的光强分布图;
图7是本发明实施例四中位于焦平面的非轴向阵列光焦斑的3D图之一;
图8是本发明实施例四中位于焦平面的非轴向阵列光焦斑的3D图之二;
图9是本发明实施例五中空间直线阵列光焦斑的3D图;
图10是本发明实施例六中光瞳面入射场的分布图。
【具体实施方式】
为了更好地理解本发明的技术方案,下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明。
请参阅图1所示,本发明提供一种实现同一光焦斑任意指向直线阵列的方法,所述方法包括:
由两个具有共焦区的物镜建立
Figure 305523DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***;在所述
Figure 651054DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***的共焦区放置虚拟电流线源天线;其中,所述虚拟电流线源天线可任意指向,载波电流相位分布为均匀同相,幅度分布为周期性余弦渐削分布;所述
Figure 739096DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***将所述虚拟电流线源天线产生的辐射场收集并准直到光瞳面;基于时间反演技术,反转所述虚拟电流线源天线的辐射场求得光瞳面的入射场;将所述入射场从所述
Figure 537287DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***两侧的光瞳面入射,经所述
Figure 267346DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***传播并在共焦区汇集,从而形成期望的同一光焦斑直线阵列;其中,从所述
Figure 467383DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***两侧光瞳面入射的所述入射场的相位相差180°。
本发明方法综合天线辐射理论、时间反演技术以及矢量光场的紧聚焦理论,通过设计虚拟电流线源天线可任意指向,载波电流相位分布为均匀同相,幅度分布为周期性余弦渐削分布,周期数为
Figure 991905DEST_PATH_IMAGE009
;同时利用搭建的
Figure 542972DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***将虚拟电流线源天线的辐射场收集并准直到光瞳面,再将辐射场反转并用相对
Figure 811143DEST_PATH_IMAGE051
相移从
Figure 865686DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***两侧光瞳面向焦区传播,从而形成期望的同一光焦斑直线阵列。因此,通过本发明方法有利于灵活定制同一光焦斑的任意指向直线阵列,且定制出的同一光焦斑的任意指向直线阵列具有广泛的应用潜力;同时本发明方法是无需优化的,且构建出的光焦斑轮廓相似,直线阵列方向可指定,阵元数目可定制,阵元间距可调整。
现对本发明方法的具体实施步骤进行详细介绍:
(1)搭建
Figure 92268DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***,建立参考直角坐标系
所述
Figure 865052DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***由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,两个物镜的光轴处在同一直线上且共焦放置(即两个物镜的焦点互相重叠);
在所述
Figure 671334DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***中建立参考直角坐标系;其中,所述参考直角坐标系的原点O为两个物镜的公共焦点;以光轴所在方向为Z轴,且Z轴垂直于XOY平面;Y轴方向竖直向上,X轴垂直于YOZ平面,如图1所示;
所述
Figure 111543DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***用于聚焦两侧光瞳面的入射场,且所述
Figure 774605DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***两侧光瞳面入射场的相位相差180°。
(2)设计虚拟电流线源天线
设计虚拟电流线源天线:所述虚拟电流线源天线的几何长度为
Figure 565844DEST_PATH_IMAGE052
,中心点位于所述参考直角坐标系的原点O;
所述虚拟电流线源天线的空间指向为
Figure 441396DEST_PATH_IMAGE053
,其中,
Figure 267270DEST_PATH_IMAGE004
为虚拟电流线源天线与光轴的夹角,
Figure 897971DEST_PATH_IMAGE005
为虚拟电流线源天线在XOY平面的投影与X轴的夹角;
在本发明方法中,所述虚拟电流线源天线可任意指向,载波电流相位分布为均匀同相,幅度分布为周期性余弦渐削分布,虚拟电流线源天线的电流分布的数学表达式如以下式(1):
Figure 645347DEST_PATH_IMAGE006
Figure 324590DEST_PATH_IMAGE007
(1)
其中,
Figure 739391DEST_PATH_IMAGE008
为电流振幅,
Figure 478677DEST_PATH_IMAGE009
为振幅分布周期数,
Figure 244508DEST_PATH_IMAGE010
为虚拟电流线源天线的位置变量,
Figure 461862DEST_PATH_IMAGE011
为电流相位因子;因本发明方法中载波电流为等相位分布,故
Figure 731170DEST_PATH_IMAGE054
(3)求解虚拟电流线源天线的辐射场
步骤(2)所设计的虚拟电流线源天线的辐射场,可对其每个微小的电流辐射单元的辐射场进行积分累加而得到;具体包括如下:
虚拟电流线源天线在
Figure 641357DEST_PATH_IMAGE010
处的电流辐射单元的长度为
Figure 363325DEST_PATH_IMAGE012
,电流为
Figure 118792DEST_PATH_IMAGE013
,空间指向为
Figure 464DEST_PATH_IMAGE014
,则该电流辐射单元的辐射场表达式如以下式(2):
Figure 81552DEST_PATH_IMAGE055
(2)
其中:
Figure 25237DEST_PATH_IMAGE016
(3)
Figure 849974DEST_PATH_IMAGE017
(4)
Figure 828294DEST_PATH_IMAGE018
为自由空间导磁率,
Figure 814705DEST_PATH_IMAGE019
为相移常数,
Figure 245686DEST_PATH_IMAGE020
为角频率,
Figure 608534DEST_PATH_IMAGE021
为辐射场点到电流辐射单元的几何距离;
Figure 441361DEST_PATH_IMAGE022
为辐射场观测点的球坐标,
Figure 333094DEST_PATH_IMAGE023
Figure 516950DEST_PATH_IMAGE024
Figure 417910DEST_PATH_IMAGE025
为球坐标的单位矢量,因电流辐射单元的辐射场只有
Figure 839664DEST_PATH_IMAGE024
Figure 433457DEST_PATH_IMAGE025
分量,
Figure 573451DEST_PATH_IMAGE023
分量为0,故在以上式(2)-式(4)中未体现该
Figure 278102DEST_PATH_IMAGE023
分量;
Figure 819942DEST_PATH_IMAGE026
为电流辐射单元所在空间指向的单位矢量;
因不同电流辐射单元的辐射远场方向近似相同,故对式(2)电流辐射单元的辐射场
Figure 319056DEST_PATH_IMAGE027
沿虚拟电流线源天线整个
Figure 211926DEST_PATH_IMAGE028
长度进行线积分累加,即可得整个虚拟电流线源天线的辐射场;其中,式子
Figure 454688DEST_PATH_IMAGE029
的分母部分取
Figure 851035DEST_PATH_IMAGE030
,指数部分取
Figure 786630DEST_PATH_IMAGE031
,即:
Figure 901216DEST_PATH_IMAGE056
(5)
则求得虚拟电流线源天线辐射场的积分运算如以下式(6):
Figure 947670DEST_PATH_IMAGE033
(6)
其中:
Figure 464101DEST_PATH_IMAGE034
令:
Figure 305019DEST_PATH_IMAGE035
(7)
Figure 172480DEST_PATH_IMAGE036
(8)
则虚拟电流线源天线的辐射场写作:
Figure 757046DEST_PATH_IMAGE037
(9)
其中,
Figure 127984DEST_PATH_IMAGE038
为与辐射方向图无关的系数,
Figure 405382DEST_PATH_IMAGE039
为周期性余弦渐削分布的虚拟电流线源天线作为连续性线源的阵因子,
Figure 494560DEST_PATH_IMAGE040
Figure 148396DEST_PATH_IMAGE041
分别为虚拟电流线源天线在
Figure 373841DEST_PATH_IMAGE042
Figure 822139DEST_PATH_IMAGE043
方向的方向图元因子。
(4)时间反演技术,反转虚拟电流线源天线的辐射场求得光瞳面的入射场
本发明的步骤(4)需要将步骤(2)和步骤(3)设计并求解的虚拟电流线源天线的辐射场,在
Figure 929773DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***的光瞳面处反转聚焦。
通过步骤(3)求解的虚拟电流线源天线的辐射场,进一步计算在
Figure 121720DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***的归一化光瞳面上,用于产生期望光焦场所需的入射场分布
Figure 263988DEST_PATH_IMAGE044
的计算公式如以下式(10):
Figure 679926DEST_PATH_IMAGE057
(10)
其中,
Figure 743697DEST_PATH_IMAGE046
Figure 739335DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***的物镜切趾函数,
Figure 939372DEST_PATH_IMAGE047
Figure 260632DEST_PATH_IMAGE048
分别为参考直角坐标系中x和y方向的单位矢量;当物镜满足亥姆霍兹条件,则物镜切趾函数
Figure 77278DEST_PATH_IMAGE058
本发明在具体实施时,入射场可以利用空间光调制技术和微纳光信息调控的新型超表面技术来加工实现。
(5)利用德拜衍射积分理论,计算焦区的焦场分布
根据步骤(4)计算获得的入射场分布,将入射场从
Figure 876607DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***两侧的光瞳面入射并向焦区传播聚焦,并基于德拜衍射积分理论,通过以下式(11)计算获得焦区焦场的分布情况:
Figure 931150DEST_PATH_IMAGE050
(11)。
下面举实施例来证实本发明所提方法的有效性和灵活性。
为了简化计算,以下实施例将与光焦场形状无关的参数
Figure 157732DEST_PATH_IMAGE059
归一化,取
Figure 930516DEST_PATH_IMAGE060
;为了收聚天线的整体辐射场,取物镜的汇聚角
Figure 2378DEST_PATH_IMAGE061
,此时对应的数值孔径值
Figure 442586DEST_PATH_IMAGE062
;以物镜满足亥姆霍兹条件为例,则物镜切趾函数
Figure 308911DEST_PATH_IMAGE063
实施例一:X轴向阵列光焦斑的产生
令虚拟电流线源天线的参数为
Figure 834570DEST_PATH_IMAGE064
,得到的X轴向阵列光焦斑的3D图形如图2所示,图3为图2的XY面的侧视图。
由图2和图3可以看出:同一光焦斑偏振方向沿着X轴,且沿着X轴方向直线排列,由参数
Figure 710122DEST_PATH_IMAGE065
决定;阵元数目为7,由参数
Figure 739258DEST_PATH_IMAGE066
决定;阵元间距为
Figure 42064DEST_PATH_IMAGE067
,由参数
Figure 320598DEST_PATH_IMAGE068
决定。
实施例二:Y轴向阵列光焦斑的产生
令虚拟电流线源天线的参数为
Figure 734262DEST_PATH_IMAGE069
,得到的Y轴向阵列光焦斑的3D图形如图4所示。
实施例三:Z轴向阵列光焦斑的产生
令虚拟电流线源天线的参数为
Figure 883484DEST_PATH_IMAGE070
,得到的Z轴向阵列光焦斑的3D图形如图5所示,此Z轴向光焦场的XOZ平面的光强分布图如图6所示。
实施例四:位于焦平面的非轴向阵列光焦斑的产生
令虚拟电流线源天线的参数为
Figure 622769DEST_PATH_IMAGE071
Figure 591862DEST_PATH_IMAGE072
,得到的位于焦平面的非轴向阵列光焦斑的3D图形如图7和图8所示。
实施例五:任意指向直线阵列光焦斑的产生
令虚拟电流线源天线的参数为
Figure 809217DEST_PATH_IMAGE073
,得到的空间直线阵列光焦斑的3D图形如图9所示。由图9可以看出:通过调整虚拟电流线源天线的方向参数
Figure 812945DEST_PATH_IMAGE074
,可以灵活调整光焦斑的直线阵列的空间指向。
实施例六:光瞳面入射场分布
不同的直线阵列光焦斑所需的光瞳面入射场分布不同,以
Figure 457553DEST_PATH_IMAGE075
Figure 179522DEST_PATH_IMAGE076
,方位角
Figure 200567DEST_PATH_IMAGE077
的Z轴向直线阵列光焦斑为例,其所需的光瞳面入射场分布图如图10所示。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式,但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解,我们所描述的具体的实施例只是说明性的,而不是用于对本发明的范围的限定,熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化,都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种实现同一光焦斑任意指向直线阵列的方法,其特征在于:所述方法包括:
由两个具有共焦区的物镜建立
Figure 855710DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***;
在所述
Figure 782078DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***的共焦区放置虚拟电流线源天线;其中,所述虚拟电流线源天线可任意指向,载波电流相位分布为均匀同相,幅度分布为周期性余弦渐削分布;
所述
Figure 596450DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***将所述虚拟电流线源天线产生的辐射场收集并准直到光瞳面;基于时间反演技术,反转所述虚拟电流线源天线的辐射场求得光瞳面的入射场;
将所述入射场从所述
Figure 239088DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***两侧的光瞳面入射,经所述
Figure 37280DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***传播并在共焦区汇集,从而形成期望的同一光焦斑直线阵列;其中,从所述
Figure 501759DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***两侧光瞳面入射的所述入射场的相位相差180°;
所述
Figure 701796DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***由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,两个物镜的光轴处在同一直线上且共焦放置;
在所述
Figure 226318DEST_PATH_IMAGE001
光学聚焦***中建立参考直角坐标系;其中,所述参考直角坐标系的原点O为两个物镜的公共焦点;以光轴所在方向为Z轴,且Z轴垂直于XOY平面;Y轴方向竖直向上,X轴垂直于YOZ平面;
所述虚拟电流线源天线的几何长度为
Figure 246227DEST_PATH_IMAGE002
,中心点位于所述参考直角坐标系的原点O;
所述虚拟电流线源天线的空间指向为
Figure 779977DEST_PATH_IMAGE003
,其中,
Figure 834520DEST_PATH_IMAGE004
为虚拟电流线源天线与光轴的夹角,
Figure 529944DEST_PATH_IMAGE005
为虚拟电流线源天线在XOY平面的投影与X轴的夹角;
所述虚拟电流线源天线电流分布的数学表达式如以下式(1):
Figure 37149DEST_PATH_IMAGE006
Figure 109010DEST_PATH_IMAGE007
(1)
其中,
Figure 18060DEST_PATH_IMAGE008
为电流振幅,
Figure 149964DEST_PATH_IMAGE009
为振幅分布周期数,
Figure 878886DEST_PATH_IMAGE010
为虚拟电流线源天线的位置变量,
Figure 754438DEST_PATH_IMAGE011
为电流相位因子。
2.如权利要求1所述的一种实现同一光焦斑任意指向直线阵列的方法,其特征在于:所述虚拟电流线源天线产生的辐射场,通过采用对虚拟电流线源天线的每个电流辐射单元的辐射场进行积分累加而得到,具体包括如下:
虚拟电流线源天线在
Figure 783574DEST_PATH_IMAGE012
处的电流辐射单元的长度为
Figure 820800DEST_PATH_IMAGE013
,电流为
Figure 568176DEST_PATH_IMAGE014
,空间指向为
Figure 981840DEST_PATH_IMAGE015
,则该电流辐射单元的辐射场表达式如以下式(2):
Figure 865482DEST_PATH_IMAGE016
(2)
其中:
Figure 808030DEST_PATH_IMAGE017
(3)
Figure 777123DEST_PATH_IMAGE018
(4)
Figure 994478DEST_PATH_IMAGE019
为自由空间导磁率,
Figure 732627DEST_PATH_IMAGE020
为相移常数,
Figure 377235DEST_PATH_IMAGE021
为角频率,
Figure 833624DEST_PATH_IMAGE022
为辐射场点到电流辐射单元的几何距离;
Figure 323511DEST_PATH_IMAGE023
为辐射场观测点的球坐标,
Figure 181746DEST_PATH_IMAGE024
Figure 997255DEST_PATH_IMAGE025
Figure 675361DEST_PATH_IMAGE026
为球坐标的单位矢量,电流辐射单元的辐射场只有
Figure 968939DEST_PATH_IMAGE027
Figure 681680DEST_PATH_IMAGE028
分量;
Figure 668091DEST_PATH_IMAGE029
为电流辐射单元所在空间指向的单位矢量;
因不同电流辐射单元的辐射远场方向近似相同,故对式(2)电流辐射单元的辐射场
Figure 833493DEST_PATH_IMAGE030
沿虚拟电流线源天线整个
Figure 930762DEST_PATH_IMAGE002
长度进行线积分累加,即可得整个虚拟电流线源天线的辐射场;其中,式子
Figure 498009DEST_PATH_IMAGE031
的分母部分取
Figure 655321DEST_PATH_IMAGE032
,指数部分取
Figure 308019DEST_PATH_IMAGE033
,即:
Figure 943400DEST_PATH_IMAGE034
(5)
则求得虚拟电流线源天线辐射场的积分运算如以下式(6):
Figure 630733DEST_PATH_IMAGE035
(6)
其中:
Figure 958947DEST_PATH_IMAGE036
令:
Figure 98941DEST_PATH_IMAGE037
(7)
Figure 538013DEST_PATH_IMAGE038
(8)
则虚拟电流线源天线的辐射场写作:
Figure 814273DEST_PATH_IMAGE039
(9)
其中,
Figure 313388DEST_PATH_IMAGE040
为与辐射方向图无关的系数,
Figure 940678DEST_PATH_IMAGE041
为周期性余弦渐削分布的虚拟电流线源天线作为连续性线源的阵因子,
Figure 183440DEST_PATH_IMAGE042
Figure 845366DEST_PATH_IMAGE043
分别为虚拟电流线源天线在
Figure 249802DEST_PATH_IMAGE044
Figure 98810DEST_PATH_IMAGE045
方向的方向图元因子。
3.如权利要求2所述的一种实现同一光焦斑任意指向直线阵列的方法,其特征在于:在
Figure 145263DEST_PATH_IMAGE046
光学聚焦***的归一化光瞳面上,用于产生期望光焦场所需的入射场分布
Figure 661695DEST_PATH_IMAGE047
的计算公式如以下式(10):
Figure 237033DEST_PATH_IMAGE048
(10)
其中,
Figure 573336DEST_PATH_IMAGE049
Figure 157902DEST_PATH_IMAGE050
光学聚焦***的物镜切趾函数,
Figure 528840DEST_PATH_IMAGE051
Figure 275079DEST_PATH_IMAGE052
分别为参考直角坐标系中x和y方向的单位矢量;当物镜满足亥姆霍兹条件,则物镜切趾函数
Figure 364258DEST_PATH_IMAGE053
4.如权利要求3所述的一种实现同一光焦斑任意指向直线阵列的方法,其特征在于:根据计算得到的入射场分布,基于德拜衍射积分理论,通过以下式(11)计算获得焦区焦场的分布情况:
Figure 486935DEST_PATH_IMAGE054
(11)。
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