CN116859589A - 一种实现强聚焦光场自旋指向斯格明子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现强聚焦光场自旋指向斯格明子的方法，属于光焦场定制技术领域，包括以下步骤：1)搭建光学强聚焦装置；2)在所述光学强聚焦装置中搭建正交偶极子对作为阵列基元，并求解基元辐射场；3)基于S2中的阵列基元，在所述光学强聚焦装置中搭建同心多圆环形正交偶极子对阵列；4)求解S3中搭建的同心多圆环形正交偶极子对阵列的辐射场；5)求解入瞳面光场；6)计算共焦区域聚焦场，本发明所提出的方法所构建的强聚焦条件下的自旋指向斯格明子为Néel型，且其平面法线方向随参数可任意调整。根据本发明的方法所定制的自旋指向斯格明子在光场调控、光通信、光学显微及光与物质相互作用等方面具有广泛的应用潜力。

Description

一种实现强聚焦光场自旋指向斯格明子的方法

技术领域

本发明属于光焦场定制技术领域，尤其涉及一种实现强聚焦光场自旋指向斯格明子的方法。

背景技术

斯格明子(Skyrmion)是一种具有拓扑保护的准粒子，1961年由英国核物理学家Skyrme在研究介子与重子(质子和中子)间相互作用的统一场理论时提出。自此在高能物理、固态物理、玻色爱因斯坦凝聚、液晶及磁性材料中被研究并证实存在，特别是在手性磁铁中由磁化纹理形成的磁斯格明子，为实现大容量信息编码和低耗能磁存储方面开辟了新途径，引起了广泛的研究和应用。磁斯格明子是一种纳米级的电子自旋涡旋，是磁性材料电子自旋轨道耦合的突出表现。光是一种电磁波，其同时携带有自旋和轨道角动量，在倏逝场或聚焦光场中，自旋轨道耦合在物理学、光学和量子技术方面产生各种不寻常的效应。

近五年来，科学家们开始在光学和光子学领域研究报道不同类型光场的类斯格明子分布，称为光学斯格明子。2018年，G.Bartal等在Science首次报道观察到在倏逝电磁场生成电场矢量类斯格明子分布的晶格结构；2019年，L.Du等在Nature Physics报道在涡旋光束聚焦的自旋光场中观察到Bloch型斯格明子；2021年，G.Rodrigo等报道在自由空间中构建类斯格明子结构光束的理论研究，包括近圆偏振场的自旋矢量和近线偏振场的电场矢量；其它在近轴矢量光束的斯托克斯矢量及脉冲传输光的磁矢量的类斯格明子结构也有相关报道。

但是，经分析上述公开报道，发现上述二维光学斯格明子晶格平面的法向一般是沿着光波的传播方向，方向单一，无法调整。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现强聚焦光场自旋指向斯格明子的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：搭建光学强聚焦装置；

S2：在光学强聚焦装置中搭建正交偶极子对作为阵列基元，并求解基元辐射场；

S3：基于S2中的阵列基元，在光学强聚焦装置中搭建同心多圆环形正交偶极子对阵列；

S4：求解S3中搭建的同心多圆环形正交偶极子对阵列的辐射场；

S5：求解入瞳面光场；

S6：计算共焦区域聚焦场，最终实现强聚焦光场自旋指向斯格明子。

进一步地，S1中，光学强聚焦装置为4π光学强聚焦系统，4π光学强聚焦系统由两个相同的高数值孔径物镜焦点重叠以及光轴共线放置构成，用于汇聚两侧光瞳面入射场，并于共焦区形成期望光焦场；

4π光学强聚焦系统以两物镜的共焦点为参考坐标系的原点O，以共线光轴右侧所在方向为z轴正方向，且z轴垂直于强聚焦系统的焦平面xoy平面；x轴方向竖直向上，y轴与xoz平面垂直，xyz坐标为全局直角坐标系。

进一步地，4π光学强聚焦系统的全局直角坐标系中，设有用于布置同心多圆环形正交偶极子对阵列的平面，平面通过原点O，且平面法线的空间方向参数为/>其中θ₀为/>与z轴正向的夹角，/>为/>在xy平面的投影与x轴正向的夹角。

进一步地，S2中，正交偶极子对的搭建具体为：于全局直角坐标系xyz中，空间上正交放置一对偶极子，其中偶极子1放置于x轴，偶极子2放置于y轴，同时偶极子对的馈电电流相位相差π/2，基于电磁辐射理论，偶极子对的辐射场在z轴向的叠加为圆极化波，其自旋指向为沿z轴方向；

对阵列基元的基元辐射场的求解具体为：将全局直角坐标系xyz的z轴绕原点O沿z轴和平面一步旋转θ₀角，z轴旋转至法线的方向并作为旋转后坐标系的z′轴，x轴同步旋转至x′轴，y轴同步旋转至y′轴，正交偶极子对的空间位置随全局直角坐标系xyz的x轴和y轴同步旋转，旋转后的偶极子对分别位于坐标系的x′轴和y′轴，/>和/>分别为位于x′轴、y′轴和z′轴偶极子的辐射场，表达式表示为：

上述表达式中，和/>分别为偶极子位于xyz全局直角坐标系的x、y和z轴的辐射场；α₁、β₁和γ₁分别为x′轴与xyz坐标系中x、y和z轴的夹角，(cosα₁，cosβ₁，cosγ₁)为x′轴的方向余弦；α₂、β₂和γ₂分别为y′轴与xyz坐标系中x、y和z轴的夹角，(cosα₂，cosβ₂，cosγ₂)为y′轴的方向余弦；α₃、β₃和γ₃分别为z′轴与xyz坐标系中x、y和z轴的夹角，(cosα₃，cosβ₃，cosγ₃)为z′轴的方向余弦；考虑偶极子对馈电电流相位相差π/2，则旋转后的正交偶极子对的辐射场表达式为：

旋转后的正交偶极子对的辐射场表达式中，j为虚数单位；基于电磁辐射理论，式(4)表示的旋转后正交偶极子对的辐射场在z′轴向的叠加为圆极化波，其自旋指向参数为通过设置该正交偶极子对的空间方向参数/>可调整其辐射场的自旋指向。

进一步地，S3中，同心多圆环形正交偶极子对阵列搭建于x′oy′平面，阵列中的正交偶极子对相对原点O呈圆心对称分布。

同心多圆环形正交偶极子对阵列的搭建具体为：

于原点O处放置一个正交偶极子对，此正交偶极子对为编号0号的正交偶极子对，其在xyz坐标系下空间方向参数为其它正交偶极子对的编号为mn，其中m表示由圆心往外第几环，n表示任意一环从位于x′轴的正交偶极子对逆时针数起第几个正交偶极子对；设定环数共有M环，每环的正交偶极子对数目依次为N₁、N₂、……N_M，第一环的正交偶极子对空间方向参数中的方位角间距为δ₁，第二环的正交偶极子对空间方向参数中的方位角间距为δ₂，即有N₁δ₁＝2π、N₂δ₂＝2π，以此类推；第一环正交偶极子对在x′y′z′坐标系下的空间方向参数为/>其中/>表示第1环第n个正交偶极子对空间方向参数中的方位角，从x′轴正向数起，依次为0、δ₁、2δ₁、……、(N₁-1)δ₁；第二环正交偶极子对在x′y′z′坐标系下的空间方向参数为/>其中/>表示第2环第n个偶极子对空间方向参数中的方位角，从x′轴正向算起，依次为0、δ₂、2δ₂、……、(N₂-1)δ₂；以此类推；第一环的半径为r_d，第二环至第M环的相邻环间距均为r_d。

进一步地，S4中，通过正交偶极子对基元的辐射场叠加对正交偶极子对阵列的辐射场求解，表示为：

其中，为编号为0的正交偶极子对辐射场，计算表达式为式(4)。/>为编号为mn正交偶极子对的辐射场，此偶极子对在x′y′z′坐标系下的空间方向参数为该辐射场由两部分乘积而成，其中AF_mn为编号为mn的正交偶极子对基元相对于原点O处编号为0的正交偶极子对的辐射场位置因子，计算公式表示为：

为编号为mn的正交偶极子对位于原点O时的辐射场，由编号为mn的正交偶极子对在x′y′z′坐标系下的空间方向参数角/>结合/>和/>的辐射场计算得到，表示为：

进一步地，S5中，入瞳面光场的求解具体为：当S4中求出的正交偶极子对阵列的总辐射场被S1中搭建光学强聚焦系统所准直，则为求解入瞳面的入射光场，必须考虑透镜的弯折效应，当高数值孔径物镜的切趾函数为P(θ)，则在光学强聚焦系统入瞳面上用于产生期望光焦场的入瞳场表示为：

其中，为入瞳面的极坐标。

进一步地，S6中，共焦区域聚焦场的求解具体为：利用时间反演技术，将S5计算得到的入瞳场在两侧光瞳面进行反转，并取相对π相移，从S1搭建的光学强聚焦系统两侧入瞳面进行照射汇聚，并通过Deby衍射积分，计算得到焦区焦场分布，计算公式表示为：

基于聚焦场计算其自旋角动量密度自旋角动量密度/>的计算公式表示为：

自旋角动量密度的计算公式中，/>和/>为聚焦场的电场矢量及其共轭矢量；/>和/>为聚焦场的磁场矢量及其共轭矢量；g为高斯单位；Im[·]为取虚部操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：

1、本发明所提出的方法所构建的强聚焦条件下的自旋指向斯格明子为Néel型，且其平面法线方向随参数可任意调整。

2、根据本发明的方法所定制的自旋指向斯格明子在光场调控、光通信、光学显微及光与物质相互作用等方面具有广泛的应用潜力。

附图说明

图1为本发明光学强聚焦装置示意图。

图2为本发明正交偶极子对的放置示意图。

图3为本发明同心多圆环形正交偶极子对阵列布置示意图。

图4为本发明实施例1中焦场xoy平面的自旋指向分布图。

图5为本发明实施例2中焦场yoz平面的自旋指向分布图。

图6为本发明实施例3中焦场xoz平面的自旋指向分布图。

图7为本发明实施例4中焦场中法线为且过原点O的截面的自旋指向分布图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明一种实现强聚焦光场自旋指向斯格明子的方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果，因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

本发明涉及强聚焦条件下光焦场定制技术，提出一种结合时间反演技术和Deby理论，利用同心多圆环形正交偶极子对阵列的辐射场实现强聚焦光场自旋指向斯格明子，且所构建的斯格明子平面法向在三维空间内任意可调。

具体实施步骤如下：

(1)搭建光学强聚焦装置

图1为本发明所采用的光学装置，即4π光学强聚焦系统。它由两个相同的高数值孔径物镜焦点重叠、光轴共线放置而成；以两物镜的共焦点为参考坐标系的原点O，以共线光轴右侧所在方向为z轴正方向，且z轴垂直于强聚焦系统的焦平面xoy平面；x轴方向竖直向上，y轴与xoz平面垂直，xyz坐标为全局直角坐标系。

图1中的阴影区域表示为通过原点O的平面，用于布置同心多圆环形正交偶极子对阵列；该平面法线的空间方向参数为/>其中θ₀为/>与z轴正向的夹角，/>为/>在xy平面的投影与x轴正向的夹角。图1所示光学装置用于汇聚两侧光瞳面入射场，以在共焦区形成期望光焦场。

(2)搭建正交偶极子对作为阵列基元，并求解基元辐射场

图2为正交偶极子对的放置方位示意图。在全局直角坐标系xyz中，空间上正交放置一对偶极子，其中偶极子1放置于x轴，偶极子2放置于y轴，同时偶极子对的馈电电流相位相差π/2。根据电磁辐射理论，该偶极子对的辐射场在z轴向的叠加为圆极化波，其自旋指向沿z轴方向。本发明采用旋转全局直角坐标系xyz的方法调整该偶极子对辐射场的自旋指向。

将全局直角坐标系xyz的z轴绕原点O沿z轴和步骤(1)的法线构成的平面一步旋转θ₀角。z轴旋转至法线/>的方向，作为新坐标系的z′轴，同时x轴同步旋转到x′，y轴同步旋转至y′。正交偶极子对的空间位置随全局直角坐标系xyz的x轴和y轴同步旋转，旋转后的偶极子对分别位于新坐标系的x′轴和y′轴，如图2所示。x′轴与xyz坐标系x、y和z轴的夹角分别为α₁、β₁和γ₁,x′轴的方向余弦为(cosα₁，cosβ₁，cosγ₁)；y′轴与xyz坐标系x、y和z轴的夹角分别为α₂、β₂和γ₂,y′轴的方向余弦为(cosα₂，cosβ₂，cosγ₂)；z′轴与xyz坐标系x、y和z轴的夹角分别为α₃、β₃和γ₃，z′轴的方向余弦为(cosα₃，cosβ₃，cosγ₃)。/>和/>分别为位于x′轴、y′轴和z′轴偶极子的辐射场，其表达式分别为：

其中和/>分别为偶极子位于xyz全局直角坐标系的x、y和z轴的辐射场。考虑偶极子对馈电电流相位相差π/2，则旋转后的正交偶极子对的辐射场表达式为：

j为虚数单位。根据电磁辐射理论可知，式()表示的旋转后正交偶极子对的辐射场在z′轴向的叠加为圆极化波，其自旋指向参数为即图2中z′轴的方向。通过设置该正交偶极子对的空间方向参数/>可调整其辐射场的自旋指向。

(3)搭建同心多圆环形正交偶极子对阵列

以步骤(2)中所搭建的正交偶极子对为阵列基元，在图2所示的x′oy′平面搭建同心多圆环形正交偶极子对阵列，搭建方法如图3所示。

图3中的十字交叉短线表示正交偶极子对。不同位置的正交偶极子对的空间方向参数均不相同，且相对原点呈圆心对称分布。其中原点O处放置一个正交偶极子对，其在xyz坐标系下的空间方向参数为原点处正交偶极子对为编号0号正交偶极子对；其它正交偶极子对的编号为mn，其中m表示由圆心往外第几环，n表示某环从位于x′轴的正交偶极子对逆时针数起第几个正交偶极子对。本发明设计阵列的环数共有M环，每环的正交偶极子对数目依次为N₁、N₂、……N_M。第一环的正交偶极子对空间方向参数中的方位角间距为δ₁，第二环的正交偶极子对空间方向参数中的方位角间距为δ₂，即有N₁δ₁＝2π、N₂δ₂＝2π，以此类推。第一环正交偶极子对在x′y′z′坐标系下的空间方向参数为/>其中/>表示第1环第n个正交偶极子对空间方向参数中的方位角，从x′轴正向数起，依次为0、δ₁、2δ₁、……、(N₁-1)δ₁；第二环正交偶极子对在x′y′z′坐标系下的空间方向参数为/>其中/>表示第2环第n个偶极子对空间方向参数中的方位角，从x′轴正向算起，依次为0、δ₂、2δ₂、……、(N₂-1)δ₂；以此类推；第一环的半径为r_d，第二环至第M环的相邻环间距均为r_d。

(4)求解步骤(3)所述正交偶极子对阵列的辐射场

本发明通过正交偶极子对基元的辐射场叠加来求解步骤(3)所述正交偶极子对阵列的辐射场，其表达式如下：

其中为编号为0的正交偶极子对辐射场，其表达式如式所示。/>为编号mn正交偶极子对的辐射场，该偶极子对在x′y′z′坐标系下的空间方向参数为/>它由两部分乘积而成，其中AF_mn为编号为mn的正交偶极子对基元相对于原点O处编号为0的正交偶极子对的辐射场位置因子，其计算公式如下：

表示编号为的正交偶极子对位于原点O时的辐射场，它由该偶极子对在x′y′z′坐标系下的空间方向参数角/>结合式(1)－(3)的/>和/>辐射场计算而得：

对于式需要特别指出的是，依据编号mn的正交偶极子对在x′y′z′坐标系下的空间方向参数角为执行类似步骤(2)中所述的旋转坐标操作，旋转后坐标系的x轴在x′y′z′坐标系下的方向余弦为(cosα_1mn,cosβ_1mn,cosγ_1mn)，旋转后坐标系的y轴在x′y′z′坐标系下的方向余弦为(cosα_2mn,cosβ_2mn,cosγ_2mn)。

经反复调试优化，最佳的阵列设置参数如下：原点O处放置一个正交偶极子对，其空间方向参数为与阵列所在平面的法线/>一致；同心圆环数量M＝5；环间距0.24λ，即r_d＝0.24λ；第一环至第五环的偶极子数量分别为N₁＝6、N₂＝12、N₃＝18、N₄＝24、N₅＝30；第一环至第五环正交偶极子对在x′y′z′坐标系下空间方向参数中的极角分别为和θ₅＝π。

(5)求解入瞳面光场

若步骤(4)所求解的正交偶极子对阵列的总辐射场被步骤(1)所搭建光学强聚焦系统所准直，为求解入瞳面的入射光场，必须考虑透镜的弯折效应。若高数值孔径物镜的切趾函数为P(θ)，则在光学强聚焦系统入瞳面上用于产生期望光焦场的入瞳场如式所示：

其中为入瞳面的极坐标。

(6)计算共焦区域聚焦场

利用时间反演技术，将步骤(5)计算所得的入瞳场在两侧光瞳面反转，并取相对π相移，从步骤(1)所搭建的光学强聚焦系统两侧入瞳面照射汇聚，通过Deby衍射积分，利用式，可计算得到焦区焦场分布：

根据式所示聚焦场，以计算其自旋角动量密度自旋角动量密度/>的计算公式如下：

其中，式中和/>为聚焦场的电场矢量及其共轭矢量，/>和/>为聚焦场的磁场矢量及其共轭矢量，g为高斯单位，Im[·]为取虚部操作。

下面举若干具体实施例来证实本发明所提方法的有效性

实施例1

构建位于xoy平面的自旋指向斯格明子

令正交偶极子对阵列所在平面的法线空间方向参数即正交偶极子对阵列布置于xoy平面；基于前述最佳阵列设置参数，通过式计算得到共焦区电场。该焦场xoy平面的自旋指向分布图如图4所示。

由图4可知，该分布呈圆心对称分布，其圆心的自旋指向沿着z轴正方向，随着半径的增加，自旋指向与z轴夹角逐渐增大，在圆的最外侧，自旋指向的方向沿着z轴的负方向。图4所示自旋指向分布的拓扑模式即为Néel型斯格明子，经计算其斯格明子数为0.97。

实施例2

构建位于yoz平面的自旋指向斯格明子

令正交偶极子对阵列所在平面的法线空间方向参数即正交偶极子对阵列布置于yoz平面；基于前述最佳阵列设置参数，通过式计算得到共焦区电场。该焦场yoz平面的自旋指向分布图如图5所示。

由图5可知，该分布呈圆心对称分布，其圆心的自旋指向沿着x轴正方向，随着半径的增加，自旋指向与x轴夹角逐渐增大，在圆的最外侧，自旋指向的方向沿着x轴的负方向。

实施例3

构建位于xoz平面的自旋指向斯格明子

令正交偶极子对阵列所在平面的法线空间方向参数即正交偶极子对阵列布置于xoz平面；基于前述最佳阵列设置参数，通过式计算得到共焦区电场。该焦场xoz平面的自旋指向分布图如图6所示。

由图6可知，该分布呈圆心对称分布，其圆心的自旋指向沿着y轴正方向，随着半径的增加，自旋指向与y轴夹角逐渐增大，在圆的最外侧，自旋指向的方向沿着y轴的负方向。

实施例4

构建平面法向为任意指向的自旋指向斯格明子

通过实施例1-3，已构建位于全局参考直角坐标系三个主平面的自旋指向斯格明子。为构建平面法线为任意指向的自旋指向斯格明子，可通过适当调整正交偶极子对阵列所在平面的法线空间方向参数/>不失一般性，以/>为例，基于前述最佳阵列设置参数，通过式计算得到共焦区电场。该焦场中法线为/>且过原点O的截面的自旋指向分布图如图7所示。由图7可知，该分布呈圆心对称分布，其圆心的自旋指向沿着正方向，随着半径的增加，自旋指向与/>夹角逐渐增大，在圆的最外侧，自旋指向的方向沿着/>的负方向。

本发明通过前述实例1-实例4，证实所提方法可用于构建强聚焦光场自旋指向Néel型斯格明子。本发明所公开方法是基于优化设置同心多圆环形正交偶极子对阵列的辐射场，结合时间反演技术和Deby理论，且斯格明子平面法向可通过设置参数任意调整。本发明所构建强聚焦光场自旋指向Néel型斯格明子在增强光与物质相互作用、自旋轨道耦合、光信息处理等方面具有广泛的应用潜力。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种实现强聚焦光场自旋指向斯格明子的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：搭建光学强聚焦装置；

S2：在所述光学强聚焦装置中搭建正交偶极子对作为阵列基元，并求解基元辐射场；

S3：基于S2中的阵列基元，在所述光学强聚焦装置中搭建同心多圆环形正交偶极子对阵列；

S4：求解S3中搭建的同心多圆环形正交偶极子对阵列的辐射场；

S5：求解入瞳面光场；

S6：计算共焦区域聚焦场，最终实现强聚焦光场自旋指向斯格明子。

2.根据权利要求1所述的实现强聚焦光场自旋指向斯格明子的方法，其特征在于，所述S1中，所述光学强聚焦装置为4π光学强聚焦系统，所述4π光学强聚焦系统由两个相同的高数值孔径物镜焦点重叠以及光轴共线放置构成，用于汇聚两侧光瞳面入射场，并于共焦区形成期望光焦场；

所述4π光学强聚焦系统以两物镜的共焦点为参考坐标系的原点O，以共线光轴右侧所在方向为z轴正方向，且z轴垂直于强聚焦系统的焦平面xoy平面；x轴方向竖直向上，y轴与xoz平面垂直，xyz坐标为全局直角坐标系。

3.根据权利要求2所述的实现强聚焦光场自旋指向斯格明子的方法，其特征在于，所述4π光学强聚焦系统的全局直角坐标系中，设有用于布置同心多圆环形正交偶极子对阵列的平面，所述平面通过原点O，且平面法线的空间方向参数为/>其中θ₀为/>与z轴正向的夹角，/>为/>在xy平面的投影与x轴正向的夹角。

4.根据权利要求3所述的实现强聚焦光场自旋指向斯格明子的方法，其特征在于，所述S2中，正交偶极子对的搭建具体为：于所述全局直角坐标系xyz中，空间上正交放置一对偶极子，其中偶极子1放置于x轴，偶极子2放置于y轴，同时偶极子对的馈电电流相位相差π/2，基于电磁辐射理论，偶极子对的辐射场在z轴向的叠加为圆极化波，其自旋指向为沿z轴方向；

对所述阵列基元的基元辐射场的求解具体为：将全局直角坐标系xyz的z轴绕原点O一步旋转θ₀角，z轴旋转至法线的方向并作为旋转后坐标系的z′轴，x轴同步旋转至x′轴，y轴同步旋转至y′轴，正交偶极子对的空间位置随全局直角坐标系xyz的x轴和y轴同步旋转，旋转后的偶极子对分别位于坐标系的x′轴和y′轴，/>和/>分别为位于x′轴、y′轴和z′轴偶极子的辐射场，表达式表示为：

上述表达式中，和/>分别为偶极子位于xyz全局直角坐标系的x、y和z轴的辐射场；α₁、β₁和γ₁分别为x′轴与xyz坐标系中x、y和z轴的夹角，(cosα₁，cosβ₁，cosγ₁)为x′轴的方向余弦；α₂、β₂和γ₂分别为y′轴与xyz坐标系中x、y和z轴的夹角，(cosα₂，cosβ₂，cosγ₂)为y′轴的方向余弦；α₃、β₃和γ₃分别为z′轴与xyz坐标系中x、y和z轴的夹角，(cosα₃，cosβ₃，cosγ₃)为z′轴的方向余弦；考虑偶极子对馈电电流相位相差π/2，则旋转后的正交偶极子对的辐射场表达式为：

所述旋转后的正交偶极子对的辐射场表达式中，j为虚数单位；基于电磁辐射理论，的计算公式表示的旋转后正交偶极子对的辐射场在z′轴向的叠加为圆极化波，其自旋指向参数为/>通过设置该正交偶极子对的空间方向参数/>调整其辐射场的自旋指向。

5.根据权利要求4所述的实现强聚焦光场自旋指向斯格明子的方法，其特征在于，所述S3中，所述同心多圆环形正交偶极子对阵列搭建于x′oy′平面，阵列中的正交偶极子对相对原点O呈圆心对称分布。

同心多圆环形正交偶极子对阵列的搭建具体为：

于所述原点O处放置一个正交偶极子对，此正交偶极子对为编号0号的正交偶极子对，其在xyz坐标系下的空间方向参数为其它正交偶极子对的编号为mn，其中m表示由圆心往外第几环，n表示任意一环从位于x′轴的正交偶极子对逆时针数起第几个正交偶极子对；设定环数共有M环，每环的正交偶极子对数目依次为N₁、N₂、……N_M，第一环的正交偶极子对空间方向参数中的方位角间距为δ₁，第二环的正交偶极子对空间方向参数中的方位角间距为δ₂，即有N₁δ₁＝2π、N₂δ₂＝2π，以此类推；第一环正交偶极子对在x′y′z′坐标系下的空间方向参数为/>其中/>表示第1环第n个正交偶极子对空间方向参数中的方位角，从x′轴正向数起，依次为0、δ₁、2δ₁、……、(N₁-1)δ₁；第二环正交偶极子对在x′y′z′坐标系下的空间方向参数为/>其中/>表示第2环第n个偶极子对空间方向参数中的方位角，从x′轴正向算起，依次为0、δ₂、2δ₂、……、(N₂-1)δ₂；以此类推；第一环的半径为r_d，第二环至第M环的相邻环间距均为r_d。

6.根据权利要求5所述的实现强聚焦光场自旋指向斯格明子的方法，其特征在于，所述S4中，通过正交偶极子对基元的辐射场叠加对所述正交偶极子对阵列的辐射场求解，表示为：

其中，为编号为0的正交偶极子对辐射场，计算表达式为/>的计算公式，为编号为mn正交偶极子对的辐射场，此偶极子对在x′y′z′坐标系下的空间方向参数为/>此辐射场由两部分乘积而成，其中AF_mn为编号为mn的正交偶极子对基元相对于原点O处编号为0的正交偶极子对的辐射场位置因子，计算公式表示为：

为编号为mn的正交偶极子对位于原点O时的辐射场，由编号为mn的正交偶极子对在x′y′z′坐标系下的空间方向参数角/>结合/>和/>的辐射场计算得到，表示为：

7.根据权利要求6所述的实现强聚焦光场自旋指向斯格明子的方法，其特征在于，所述S5中，入瞳面光场的求解具体为：当S4中求出的正交偶极子对阵列的总辐射场被S1中搭建光学强聚焦系统所准直，则为求解入瞳面的入射光场，必须考虑透镜的弯折效应，当高数值孔径物镜的切趾函数为P(θ)，则在光学强聚焦系统入瞳面上用于产生期望光焦场的入瞳场表示为：

其中，为入瞳面的极坐标。

8.根据权利要求7所述的实现强聚焦光场自旋指向斯格明子的方法，其特征在于，所述S6中，共焦区域聚焦场的求解具体为：利用时间反演技术，将S5计算得到的入瞳场在两侧光瞳面进行反转，并取相对π相移，从S1搭建的光学强聚焦系统两侧入瞳面进行照射汇聚，并通过Deby衍射积分，计算得到焦区焦场分布，计算公式表示为：

基于聚焦场计算其自旋角动量密度自旋角动量密度/>的计算公式表示为：

自旋角动量密度的计算公式中，/>和/>为聚焦场的电场矢量及其共轭矢量；/>和/>为聚焦场的磁场矢量及其共轭矢量；g为高斯单位；Im[·]为取虚部操作。