CN119380764A - 一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法 - Google Patents
一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN119380764A CN119380764A CN202411929800.1A CN202411929800A CN119380764A CN 119380764 A CN119380764 A CN 119380764A CN 202411929800 A CN202411929800 A CN 202411929800A CN 119380764 A CN119380764 A CN 119380764A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- field
- radiation
- dipole antenna
- magnetic dipole
- optical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 title claims abstract description 66
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 28
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims abstract description 24
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 81
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 57
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 claims description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 15
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 10
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 8
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims description 7
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 7
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 4
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 2
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 abstract description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 8
- 239000000382 optic material Substances 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000010485 coping Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明属于磁化场定制技术领域，尤其提供了一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法。本发明只利用一只磁偶极子天线的辐射场，并在其上叠加一阶相应的空间螺旋位相，即可逆向获得光学紧聚焦系统入瞳面处矢量光场的解析表达式；采用Deby矢量衍射积分理论量化评估矢量光场的紧聚焦场，并基于逆法拉第效应，评估此紧聚焦场在磁性材料中诱导出目标磁化场的特征；本发明的方法无需复杂的优化过程，且构建出纯横向圆偏振近衍射极限光焦斑，并诱导出可规定空间朝向的超衍射极限磁化场，依本方法所定制的光焦场和所诱导的磁化场在光镊、光加工、全光磁存储等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及磁化场定制技术领域，尤其涉及一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法。
背景技术
磁光记录技术依托于光焦场与磁光材料间的交互作用，融合了磁性存储与光学存储的双重优点，有望成为应对大数据时代庞大数据传输、处理及存储需求的重要方案之一。为达成大存储量及高存储密度的目标，磁光存储技术核心前提在于基于逆法拉第效应光致生成的高分辨率磁化场。面对此难题，2013年，Min Gu研究团队对角向偏振涡旋光进行了紧密聚焦，并作用于各向同性磁光材料，成功在焦点区域创造出尺寸为0.508λ的亚衍射纯纵向磁化场，并通过调整涡旋光的相位方向，实现了磁化场的高效翻转。2014年，该科研团队在紧聚焦系统中引入具备π相位差的双环形涡旋二元滤波器，对角向偏振光波前进行调制，从而诱导产生了横向分辨率为0.38λ、长度达7.48λ的超长纯纵向磁针。2015年JiannongChen研究团队采用径向与角向可调的特殊环形相位滤波器，对径向偏振涡旋光进行调制，所得磁针的长度及横向半高全宽(FWHM)分别达到了28λ和0.27λ。之后研究人员陆续通过优化设计入瞳场获得性能更优的纵向磁化场。
分析以上公开报道可知，尽管这些纯纵向磁化场为二维高密度全光磁记录及大容量磁光存储提供了可能，但横向超分辨率的磁针只沿着纵向方向，方向单一，无法实现三维高密度超分辨磁光记录与存储，且一般需要经历复杂优化设计以得到复杂入瞳矢量光场。2018年，Xiangping Li课题组采用一对正交偶极子的辐射场逆向构建出无须复杂优化即可获得复杂入瞳场，以诱导产生可规定朝向磁化场，然而此磁化场的FWHM的尺寸大小为0.56λ´0.56λ´1.31λ，未超越衍射极限。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
针对上述问题，本发明提供了一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法，该方法仅利用一只磁偶极子天线的辐射场，巧妙叠加相应的空间螺旋位相，即可逆向获得所需入瞳光场的解析表达式，且构建出纯横向圆偏振近衍射极限光焦斑，并诱导出可规定空间朝向的超衍射极限磁化场。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法，该方法包括以下步骤：
由两个具有共焦区的物镜建立光学紧聚焦系统；
在所述光学紧聚焦系统的共焦区放置磁偶极子天线；
计算磁偶极子天线的辐射场，在其上叠加相同空间朝向的螺旋位相因子后辐射场由光学紧聚焦系统的共焦区往外辐射，经两个相同的高数值孔径物镜准直后往光学紧聚焦系统外侧传播，并根据透镜对辐射光线的弯折效应以求得物镜入瞳面处的辐射场；
通过时间反演技术逆转此时物镜入瞳面处的辐射场，反向传播，并向两物镜共焦区原点处聚焦，以在共焦区形成相对磁偶极子天线空间朝向而言纯横向圆偏振近衍射极限光焦场；其中，光学紧聚焦系统两侧入瞳面的入射场相位相差180度；
基于逆法拉第效应，在两物镜共焦区放置磁光材料，纯横向圆偏振近衍射极限光焦场能在其中诱导出规定空间朝向的超衍射极限磁化场。
进一步的，所述光学紧聚焦系统由两个相同的高数值孔径的物镜沿Z轴共焦对称放置构成；
在光学紧聚焦系统中以共焦点为直角坐标系的原点，以共焦平面为XOY平面，此时两物镜分别位于Z轴的±f处，f为物镜焦距。
进一步的，所述磁偶极子天线为一只设置在光学紧聚焦系统的原点处且载有均匀同相高频振荡磁流的磁偶极子天线；
该磁偶极子天线其空间朝向为；为极角，为磁偶极子天线朝向与Z轴的夹角；为方位角，为磁偶极子天线朝向在XOY平面的投影与X轴正方向的夹角；通过参数能确定磁偶极子天线在三维空间的朝向。
进一步的，所述磁偶极子天线的总辐射场的计算方式具体如下：
根据电磁辐射理论，位于X、Y和Z轴的磁偶极子天线辐射场为：
（1）
空间朝向的磁偶极子天线辐射场由分别位于X、Y和Z轴的磁偶极子天线辐射场相干叠加而成，它们的辐射权重因子分别为：
（2）
能得到空间朝向的磁偶极子天线辐射场为：
（3）
其中，辐射场的常系数、辐射场分量的系数和辐射场分量的系数具体表达式分别如式(4)、(5)和(6)所示：
（4）
（5）
（6）
其中，为虚数单位，为磁偶极子天线其上磁流的振荡角频率，为真空的介电常数，为真空的波阻抗，和分别为磁偶极子天线振荡磁流的大小和几何长度，为辐射场的空间球坐标，和为球坐标的单位矢量。
进一步的，沿空间朝向的螺旋位相因子的计算过程如下：1) 以XYZ全局坐标系为旋转整体，参考坐标的原点O为旋转支点，Z轴沿着磁偶极子天线振荡方向与OZ轴所在平面一步旋转至方向，形成旋转后的轴；2)全局坐标系的X轴和Y轴同步旋转至和轴，、和为旋转后局部坐标系的三个主轴；3)推导得空间方向的螺旋位相因子为：
（7）
其中，为拓扑荷数，为局部坐标系平面的方位角；为诱导出目标磁化场，拓扑荷数必须取值为±1；
为获得诱导目标磁化场所需要的入射场，将位于坐标原点且空间朝向的磁偶极子天线的辐射场叠加式(7)所示相同空间朝向的螺旋位相因子，得到叠加后总辐射场表达式如式(8)所示。
（8）
进一步的，由于透镜对辐射光线的弯折，选择满足正弦条件物镜构成光学紧聚焦系统，其切趾函数为 ，则能求得物镜入瞳面处的辐射场为：
（9）
其中，为入瞳面的极坐标，为入瞳面观测点与入瞳中心的距离，为入瞳面观测点的方位角，入瞳的分量由辐射场的分量弯折而来。
进一步的，基于时间反演技术，逆转物镜入瞳面处辐射场，反向传播，并向两物镜共焦区原点处聚焦，在共焦区形成目标光焦场；此时光学紧聚焦系统两侧入瞳面的入射场相位相差180度；共焦区焦场分布能由Deby矢量衍射积分理论进行计算并量化评估，计算公式为：
（10）
其中，为入瞳场经物镜弯折后的球面波前为焦场的柱坐标；本申请所构建的光焦场为纯横向圆偏振近衍射极限光焦场，这里的纯横向是相对磁偶极子天线空间朝向而言。
进一步的，基于逆法拉第效应，在两物镜共焦区位置设置磁光材料，由高度局域横向圆偏振光场，在磁光材料上能诱导出与空间朝向相同或相反的光致磁化场，此磁化场由式(11)计算：
（11）
其中，和为焦场的电场矢量及其共轭矢量，为与磁光材料有关的耦合系数。
由上述对本发明结构的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明只利用一只磁偶极子天线的辐射场，并在其上叠加一阶相应的空间螺旋位相，即可逆向获得光学紧聚焦系统入瞳面处矢量光场的解析表达式；采用Deby矢量衍射积分理论量化评估矢量光场的紧聚焦场，并基于逆法拉第效应，评估此紧聚焦场在磁性材料中诱导出目标磁化场的特征；本发明的方法无需复杂的优化过程，且构建出纯横向圆偏振近衍射极限光焦斑，并诱导出可规定空间朝向的超衍射极限磁化场，依本方法所定制的光焦场和所诱导的磁化场在光镊、光加工、全光磁存储等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明光学紧聚焦系统的示意图；
图2为实施例1在时，所构建的光焦场；
图3为实施例1在时，所诱导的纯纵向磁化场；
图4为实施例2在时，所构建的光焦场；
图5为实施例2在时，所诱导的纯横向磁化场；
图6为实施例3在时，所构建的光焦场；
图7为实施例3在时，所诱导的规定朝向磁化场。
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。
如图1所示，诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法，该方法包括以下步骤：由两个具有共焦区的物镜建立光学紧聚焦系统；在所述光学紧聚焦系统的共焦区放置磁偶极子天线；计算磁偶极子天线的辐射场，在其上叠加相同空间朝向的螺旋位相因子后辐射场由光学紧聚焦系统的共焦区往外辐射，经两个相同的高数值孔径物镜准直后往光学紧聚焦系统外侧传播，并根据透镜对辐射光线的弯折效应以求得物镜入瞳面处的辐射场；通过时间反演技术逆转此时物镜入瞳面处的辐射场，反向传播，并向两物镜共焦区原点处聚焦，以在共焦区形成相对磁偶极子天线空间朝向而言纯横向圆偏振近衍射极限光焦场；其中，光学紧聚焦系统两侧入瞳面的入射场相位相差180度；基于逆法拉第效应，在两物镜共焦区放置磁光材料，纯横向圆偏振近衍射极限光焦场能在其中诱导出规定空间朝向的超衍射极限磁化场。
本发明只利用一只磁偶极子天线的辐射场，并在其上叠加一阶相应的空间螺旋位相，即可逆向获得光学紧聚焦系统入瞳面处矢量光场的解析表达式；采用Deby矢量衍射积分理论量化评估矢量光场的紧聚焦场，并基于逆法拉第效应，评估此紧聚焦场在磁性材料中诱导出目标磁化场的特征；本发明的方法无需复杂的优化过程，且构建出纯横向圆偏振近衍射极限光焦斑，并诱导出可规定空间朝向的超衍射极限磁化场，依本方法所定制的光焦场和所诱导的磁化场在光镊、光加工、全光磁存储等领域具有广泛的应用前景。
现对本发明方法的具体实施步骤进行详细介绍：
步骤一、搭建光学紧聚焦系统：
本申请采用两个相同的高数值孔径物镜沿Z轴共焦对称放置构成光学紧聚焦系统，如图1所示。以共焦点为直角坐标系的原点，以共焦平面为XOY平面，此时两物镜分别位于Z轴的±f处，f为物镜焦距。
步骤二、配置磁偶极子天线,并求解其辐射场：
在光学紧聚焦系统的原点处配置一只载有均匀同相高频振荡磁流的磁偶极子天线(以图1原点处短粗线表示)，其空间朝向为。为极角，为振子朝向与Z轴的夹角；为方位角，为振子朝向在XOY平面的投影与X轴正方向的夹角；通过参数能确定磁偶极子在三维空间的朝向；
根据电磁辐射理论，位于X、Y和Z轴的磁偶极子辐射场为：
（1）
空间朝向的磁偶极子辐射场由分别位于X、Y和Z轴的磁偶极子辐射场相干叠加而成，它们的辐射权重因子分别为：
（2）
能得到空间朝向的磁偶极子辐射场为：
（3）
上式辐射场的常系数、辐射场分量的系数和辐射场分量的系数具体表达式分别如式(4)、(5)和(6)所示：
（4）
（5）
（6）
其中，为虚数单位，为磁偶极子天线其上磁流的振荡角频率，为真空的介电常数，为真空的波阻抗，和分别为磁偶极子天线振荡磁流的大小和几何长度，为辐射场的空间球坐标，和为球坐标的单位矢量。
步骤三、在步聚(二)计算所得的辐射场上叠加对应的螺旋位相因子：
沿空间朝向的螺旋位相因子的计算过程如下：1) 以XYZ全局坐标系为旋转整体，以图1所示参考坐标的原点O为旋转支点，Z轴沿着磁偶极子振荡方向与OZ轴所在平面一步旋转至方向，形成旋转后的轴；2)全局坐标系的X轴和Y轴同步旋转至和轴，、和为旋转后局部坐标系的三个主轴；3)推导得空间方向的螺旋位相因子为：
（7）
其中，为拓扑荷数，为局部坐标系平面的方位角；为诱导出目标磁化场，拓扑荷数必须取值为±1；
为获得诱导目标磁化场所需要的入射场，将位于坐标原点且空间朝向的磁偶极子天线的辐射场叠加式(7)所示相同空间朝向的螺旋位相因子，得到叠加后总辐射场表达式如式(8)所示。
（8）
步骤四、基于步骤三的总辐射场推导光瞳处矢量光场：
将步骤三计算所得叠加后辐射场由共焦区域往外辐射，经两个相同的高数值孔径物镜准直后往外侧传播。由于透镜对辐射光线的弯折，选择满足正弦条件物镜构成光学紧聚焦系统，其切趾函数为 ，则能求得物镜入瞳面处的辐射场为：
（9）
其中，为入瞳面的极坐标，为入瞳面观测点与入瞳中心的距离，为入瞳面观测点的方位角，需要注意的是，入瞳的分量由辐射场的分量弯折而来。
步骤五、逆转光路，反向聚焦，计算焦区的光场分布：
基于时间反演技术，逆转物镜入瞳面处辐射场，反向传播，并向两物镜共焦区原点处聚焦，在共焦区形成目标光焦场；此时光学紧聚焦系统两侧入瞳面的入射场相位相差180度；共焦区焦场分布能由Deby矢量衍射积分理论进行计算并量化评估，计算公式为：
（10）
其中，为入瞳场经物镜弯折后的球面波前，为焦场的柱坐标；本申请所构建的光焦场为纯横向圆偏振近衍射极限光焦场，这里的纯横向是相对磁偶极子天线空间朝向而言。
步骤六、基于步骤五的紧聚焦光场计算在磁光材料上所诱导的光致磁化场：
基于逆法拉第效应，在图1的共焦区位置设置磁光材料，由步骤五所构建的高度局域横向圆偏振光场，在磁光材料上能诱导出与空间朝向相同或相反的光致磁化场(取决于拓扑荷数的符号)，此磁化场由式(11)计算：
（11）
式中和为焦场的电场矢量及其共轭矢量，为与磁光材料有关的耦合系数；本申请由步骤五构建的纯横向圆偏振近衍射极限光焦场能诱导出空间朝向的超衍射极限光致磁化场。
下面举若干具体实施例来证实本发明所提方法的有效性。
为简化计算，所列举的实施例将与光焦场和所诱导磁化场的形状及偏振无关的参数C和γ归一化，即取C=1，γ=1；为汇聚叠加螺旋位相因子的磁偶极子全部辐射场，取高数值孔径物镜汇聚角 ，即；拓扑荷数的符号不同，所诱导的磁化场方向相反，以下实施例取=1；以满足正弦条件的物镜作为本发明实施例所用的物镜。
实施例1、诱导纯纵向超衍射极限光致磁化场：
设定原点处磁偶极子的空间朝向，利用公式(10)计算得到焦区的电场分布。图2和图3分别为所构建的光焦场和其在磁光材料中所诱导的磁化场在三个主平面的归一化光强及偏振分布图。由图2和图3可以看出，它们均是沿着Z轴的短椭球体。由图2可以看出，光焦场主瓣区域在XY平面为纯圆偏振，XZ和YZ平面分别为X线偏振和Y线偏振分布，经测量光焦斑沿X、Y和Z轴的FWHM分别为0.43λ、0.43λ和0.51λ，为近衍射极限光焦斑。由图3可以看出，图2的光焦场所诱导的磁化场只有Z分量，在XZ和YZ平面均为Z线偏振分布，为纯纵向磁化场，经测量此磁化场沿X、Y和Z轴的FWHM分别为0.29λ、0.29λ和0.37λ，为超衍射极限磁化场。
实施例2、诱导出纯横向超衍射极限光致磁化场：
为诱导出纯横向超衍射极限光致磁化场，令磁偶极子空间朝向的极角，也就是磁偶极子横放在XY平面，本实例取方位角为例。与实例(1)类似的方法，利用公式(10)计算得到焦区的光焦场分布。
图4和图5分别为所构建的光焦场和其在磁光材料中所诱导的磁化场在三个主平面的归一化光强及偏振分布图。由图4和图5可以看出，它们均是沿着X轴的短椭球体。由图4可以看出，光焦场主瓣区域在YZ平面为纯圆偏振分布，XZ和XY平面分别为Z线偏振和Y线偏振分布，经测量光焦斑沿X、Y和Z轴的FWHM分别为0.51λ、0.43λ和0.43λ，为近衍射极限光焦斑。由图5可以看出，图4的光焦场所诱导的磁化场在XZ和XY平面均为X偏振分布，为纯X轴向磁化场，经测量此磁化场沿X、Y和Z轴的FWHM分别为0.37λ、0.29λ和0.29λ，为超衍射极限磁化场。在本实例中，若磁偶极子的方位角，则其所诱导的磁化场偏振方向在焦平面的方位将调整至方向。
实施例3、诱导任意规定朝向超衍射极限光致磁化场：
上述实施例1和实施例2展示了本发明所提出的方法在实现诱导纯纵向和纯横向超衍射极限光致磁化场的有效性。为展示本方法诱导任意朝向磁化场的有效性，在不失一般性的前提下，以指向参数为例，利用公式(10)计算得到焦区光焦场，利用式(11)计算其所诱导的目标磁化场，它们的特征如图6和图7所示。
图6和图7分别为所构建的光焦场和其在磁光材料中所诱导的磁化场在三个主平面的归一化光强及偏振分布图。由图6和图7可以看出，光焦斑和磁化场所呈现的短椭球体强度轮廓的长轴方向非位于Z轴或XY平面，经测量其空间朝向与磁偶极子的朝向相同。由图6可以看出，光焦场主瓣在三个主平面均为椭圆偏振分布，由图7可以看出，图6的光焦场所诱导的磁化场在三个主平面均为线偏振分布，经测量其偏振朝向也与磁偶极子的朝向相同。
由以上实施例1、实施例2和实施例3证明本发明所提出的方法的有效性。通过设定磁偶极子的空间朝向参数，叠加相应朝向的一阶螺旋相位因子，可构建出纯横向圆偏振近衍射极限光焦场，并能在磁性材料中诱导出空间朝向的超衍射极限光致磁化场。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
由两个具有共焦区的物镜建立光学紧聚焦系统；
在所述光学紧聚焦系统的共焦区放置磁偶极子天线；
计算磁偶极子天线的辐射场，在其上叠加相同空间朝向的螺旋位相因子后辐射场由光学紧聚焦系统的共焦区往外辐射，经两个相同的高数值孔径物镜准直后往光学紧聚焦系统外侧传播，并根据透镜对辐射光线的弯折效应以求得物镜入瞳面处的辐射场；
通过时间反演技术逆转此时物镜入瞳面处的辐射场，反向传播，并向两物镜共焦区原点处聚焦，以在共焦区形成相对磁偶极子天线空间朝向而言纯横向圆偏振近衍射极限光焦场；其中，光学紧聚焦系统两侧入瞳面的入射场相位相差180度；
基于逆法拉第效应，在两物镜共焦区放置磁光材料，纯横向圆偏振近衍射极限光焦场能在其中诱导出规定空间朝向的超衍射极限磁化场。
2.根据权利要求1所述的一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法，其特征在于：所述光学紧聚焦系统由两个相同的高数值孔径的物镜沿Z轴共焦对称放置构成；
在光学紧聚焦系统中以共焦点为直角坐标系的原点，以共焦平面为XOY平面，此时两物镜分别位于Z轴的±f处，f为物镜焦距。
3.根据权利要求2所述的一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法，其特征在于：所述磁偶极子天线为一只设置在光学紧聚焦系统的原点处且载有均匀同相高频振荡磁流的磁偶极子天线；
该磁偶极子天线其空间朝向为；为极角，为磁偶极子天线朝向与Z轴的夹角；为方位角，为磁偶极子天线朝向在XOY平面的投影与X轴正方向的夹角；通过参数能确定磁偶极子天线在三维空间的朝向。
4.根据权利要求3所述的一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法，其特征在于：所述磁偶极子天线的总辐射场的计算方式具体如下：
根据电磁辐射理论，位于X、Y和Z轴的磁偶极子天线辐射场为：
（1）
空间朝向的磁偶极子天线辐射场由分别位于X、Y和Z轴的磁偶极子天线辐射场相干叠加而成，它们的辐射权重因子分别为：
（2）
能得到空间朝向的磁偶极子天线辐射场为：
（3）
其中，辐射场的常系数、辐射场分量的系数和辐射场分量的系数具体表达式分别如式(4)、(5)和(6)所示：
（4）
（5）
（6）
其中，为虚数单位，为磁偶极子天线其上磁流的振荡角频率，为真空的介电常数，为真空的波阻抗，和分别为磁偶极子天线振荡磁流的大小和几何长度，为辐射场的空间球坐标，和为球坐标的单位矢量。
5.根据权利要求4所述的一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法，其特征在于：沿空间朝向的螺旋位相因子的计算过程如下：1) 以XYZ全局坐标系为旋转整体，参考坐标的原点O为旋转支点，Z轴沿着磁偶极子天线振荡方向与OZ轴所在平面一步旋转至方向，形成旋转后的轴；2)全局坐标系的X轴和Y轴同步旋转至和轴，、和为旋转后局部坐标系的三个主轴；3)推导得空间方向的螺旋位相因子为：
（7）
其中，为拓扑荷数，为局部坐标系平面的方位角；为诱导出目标磁化场，拓扑荷数必须取值为±1；
为获得诱导目标磁化场所需要的入射场，将位于坐标原点且空间朝向的磁偶极子天线的辐射场叠加式(7)所示相同空间朝向的螺旋位相因子，得到叠加后总辐射场表达式如式(8)所示：
（8）。
6.根据权利要求5所述的一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法，其特征在于：由于透镜对辐射光线的弯折，选择满足正弦条件物镜构成光学紧聚焦系统，其切趾函数为 ，则能求得物镜入瞳面处的辐射场为：
（9）
其中，为入瞳面的极坐标，为入瞳面观测点与入瞳中心的距离，为入瞳面观测点的方位角，入瞳的分量由辐射场的分量弯折而来。
7.根据权利要求6所述的一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法，其特征在于：基于时间反演技术，逆转物镜入瞳面处辐射场，反向传播，并向两物镜共焦区原点处聚焦，在共焦区形成目标光焦场；此时光学紧聚焦系统两侧入瞳面的入射场相位相差180度；共焦区焦场分布能由Deby矢量衍射积分理论进行计算并量化评估，计算公式为：
（10）
其中，为入瞳场经物镜弯折后的球面波前，为焦场的柱坐标；本申请所构建的光焦场为纯横向圆偏振近衍射极限光焦场，这里的纯横向是相对磁偶极子天线空间朝向而言。
8.根据权利要求7所述的一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法，其特征在于：基于逆法拉第效应，在两物镜共焦区位置设置磁光材料，由高度局域横向圆偏振光场，在磁光材料上能诱导出与空间朝向相同或相反的光致磁化场，此磁化场由式(11)计算：
（11）
其中，和为焦场的电场矢量及其共轭矢量，为与磁光材料有关的耦合系数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202411929800.1A CN119380764A (zh) | 2024-12-26 | 2024-12-26 | 一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202411929800.1A CN119380764A (zh) | 2024-12-26 | 2024-12-26 | 一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN119380764A true CN119380764A (zh) | 2025-01-28 |
Family
ID=94326841
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202411929800.1A Pending CN119380764A (zh) | 2024-12-26 | 2024-12-26 | 一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN119380764A (zh) |
-
2024
- 2024-12-26 CN CN202411929800.1A patent/CN119380764A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sheppard et al. | Beam modes beyond the paraxial approximation: a scalar treatment | |
| CN115359944B (zh) | 一种实现任意空间指向光链焦场的方法 | |
| CN109976065A (zh) | 基于旋转场天线的辐射场产生可旋转光学焦场的方法 | |
| Hao et al. | A single-layer focusing metasurface based on induced magnetism | |
| WO2024077896A1 (zh) | 一种实现同一光焦斑任意指向直线阵列的方法 | |
| Orlov et al. | Complex source beam: A tool to describe highly focused vector beams analytically | |
| Li et al. | Cascaded metasurfaces enabling adaptive aberration corrections for focus scanning | |
| WO2024221601A1 (zh) | 一种产生携带任意指向轨道角动量涡旋焦场的方法 | |
| Kotlyar et al. | Index of the polarization singularity of Poincare beams | |
| Yan et al. | Creation of isotropic super-resolved magnetization with steerable orientation | |
| CN117741964B (zh) | 一种超分辨无衍射横向偏振光针的产生方法 | |
| Zhi et al. | Generation of polarization rotation function Bessel beams based on all-dielectric metasurfaces | |
| CN119380764A (zh) | 一种诱导任意朝向超衍射极限磁化场的方法 | |
| CN116224613B (zh) | 一种任意自旋指向超衍射极限光焦斑的实现方法 | |
| Wang et al. | High-efficiency optical vortex generation with hybrid all-dielectric geometric-metasurface in visible frequency | |
| CN109241682B (zh) | 一种基于电偶极子辐射模型的任意取向磁化场的产生方法 | |
| Xue et al. | Generation of elliptical airy vortex beams based on all-dielectric metasurface | |
| CN119355962A (zh) | 一种诱导同一磁化斑任意朝向直线阵列的方法 | |
| Volyar et al. | Rotation of the wavefront of an optical vortex in free space | |
| CN109783888A (zh) | 一种多维可控的光致针形磁化场的生成方法 | |
| Zeng et al. | Creating a spatial optical tube of prescribed characteristics | |
| Wang et al. | Reversal construction of polarization-controlled focusing field with multiple focal spots | |
| Lai et al. | Generation of various vortex beams based on transformation materials | |
| Han et al. | Limit values acquisition in field control problems using information-based time-reversal technique | |
| Dhayalan et al. | Focusing of mixed-dipole waves |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |