[发明专利]一种任意自旋指向超衍射极限光焦斑的实现方法

权利要求书

1.一种任意自旋指向超衍射极限光焦斑的实现方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、由两个具有共焦区的物镜建立光学聚焦系统；所述光学聚焦系统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；

在所述光学聚焦系统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；以光轴所在方向为轴，且轴垂直于平面；轴方向竖直向上，轴垂直于平面；

将一对正交的偶极子对放置在以光学聚焦系统中心点为原点的空间上的具体设置方式为：将其中一偶极子放置在轴上，另一偶极子放置在轴上；

步骤2、将一对正交的偶极子对放置在以光学聚焦系统中心点为原点的空间上，该偶极子对在该空间正交放置，并且偶极子对的馈电电流相位相差π/2；将所述正交的偶极子对以光学聚焦系统的中心点为支点进行旋转；旋转具体设置方式为：P点为参考直角坐标系中的任意点，其球坐标值为，其中为P点与原点O的距离，为射线OP与轴正向的夹角，为射线OP在平面的投影与轴正向的夹角；

将参考直角坐标系的轴绕原点O沿轴和射线OP所构成的平面一步旋转角，轴旋转至OP指向；以射线OP作为旋转后新坐标系的轴，同时轴同步旋转到轴，轴同步旋转至轴，即偶极子对的空间位置随参考直角坐标系的轴和轴同步旋转，旋转后的偶极子对分别位于新坐标系的轴和轴；

步骤3、将所述正交的偶极子对以光学聚焦系统的中心点为支点进行旋转；旋转后的偶极子对产生的辐射场的计算方式具体如下：

轴与参考直角坐标系、和轴的夹角分别为、和,轴与参考直角坐标系、和轴的夹角分别为、和，经详细推导得到：

          （1）

       （2）

偶极子位于参考直角坐标系的x、y和z轴，其辐射场分别为、和，计算公式分别如下：

       （3）

      （4）

              （5）

 C为与辐射场方向无关的常数；

旋转后位于轴的偶极子的辐射场为：

（6）

 旋转后位于轴的偶极子的辐射场为：

（7）

考虑偶极子对馈电电流相位相差π/2，则偶极子对的辐射场为：

   （8）

其中为虚数单位；

步骤4、所述光学聚焦系统将旋转后的偶极子对产生的辐射场收集并准直到光学聚焦系统的入瞳面，并根据透镜对光线的弯折效应以求得入瞳面的辐射场；

步骤5、基于时间反演技术，反转入瞳面的辐射场，并用相对π相移从光学聚焦系统的入瞳面两侧向两物镜共焦区反向传播汇聚，利用矢量衍射积分理论计算得到聚焦场数据，以能够在两物镜共焦区形成自旋指向任意可调的超衍射极限光焦斑。

2.根据权利要求1所述的一种任意自旋指向超衍射极限光焦斑的实现方法，其特征在于：在步骤4中，所述入瞳面的辐射场的计算方式具体如下：

根据透镜对光线的弯折效应求得入瞳面的辐射场为：

  （9）

其中，为入瞳面的极坐标， 为物镜的切趾函数，为偶极子对的辐射场。

3.根据权利要求2所述的一种任意自旋指向超衍射极限光焦斑的实现方法，其特征在于：在步骤5中，基于Richard-Wolf矢量衍射积分理论，可计算得到共焦区电场分布：

（10）

其中，j为虚数单位，λ为波长，为物镜最大汇聚角，为入瞳面的辐射场，为入瞳面的极坐标， 为物镜的切趾函数。

4.根据权利要求3所述的一种任意自旋指向超衍射极限光焦斑的实现方法，其特征在于：在步骤5中，根据计算所得的共焦区电场，以计算焦场的自旋角动量密度，自旋角动量密度的计算公式如下：

       （11）

其中，式中和为共焦区的电场矢量及其共轭矢量，和为焦场的磁场矢量及其共轭矢量，为高斯单位，为取虚部操作；

而后，再根据计算出焦场的自旋角动量密度以定量评估共焦区电场的自旋指向，通过式（11）计算得到共焦区电场的自旋角动量的、和的三个分量、和，进而可以定量评估与、和轴的夹角，即方向角。