本發(fā)明涉及磁化斑陣列定制，尤其涉及一種誘導(dǎo)同一磁化斑任意朝向直線陣列的方法。

背景技術(shù)：

1、矢量光場(chǎng)不同于標(biāo)量光場(chǎng)，其在同一波陣面上的偏振分布與空間位置有關(guān)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)聚焦系統(tǒng)入瞳面矢量光場(chǎng)的振幅、相位及偏振態(tài)分布，能在緊聚焦后形成諸如光針、光泡、光管、光鏈等新穎的光焦場(chǎng)。這些新穎的光焦場(chǎng)在相關(guān)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用潛力，特別是橫向圓偏振分布的光場(chǎng)能誘導(dǎo)出與傳播方向相同或相反的光致磁化場(chǎng)。由于高分辨率的磁化場(chǎng)在磁光存儲(chǔ)技術(shù)方面具有廣泛應(yīng)用潛力，而磁光存儲(chǔ)技術(shù)是應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代龐大數(shù)據(jù)傳輸、處理及存儲(chǔ)需求的重要方案之一，因此光致磁化場(chǎng)受到眾多研究學(xué)生的關(guān)注。

2、2013年，min?gu研究團(tuán)隊(duì)通過緊聚焦角向偏振渦旋光束，并將光焦場(chǎng)作用于各向同性磁光材料，成功在焦點(diǎn)區(qū)域構(gòu)建出尺寸為0.508λ的亞波長(zhǎng)衍射純縱向磁化場(chǎng)，并通過調(diào)整渦旋光的相位方向，實(shí)現(xiàn)了磁化場(chǎng)的高效翻轉(zhuǎn)。2014年，該科研團(tuán)隊(duì)在緊聚焦系統(tǒng)中引入π相位差的雙環(huán)形渦旋二元濾波器，對(duì)角向偏振光波前進(jìn)行調(diào)制，從而誘導(dǎo)產(chǎn)生了橫向分辨率為0.38λ、長(zhǎng)度達(dá)7.48λ的超長(zhǎng)純縱向磁針。2017年，bao-hua?jia課題組報(bào)道采用4π光學(xué)聚集裝置聚焦兩個(gè)經(jīng)調(diào)制的矢量光束，實(shí)現(xiàn)三維超分辨率純縱向磁化斑陣列。同年，cheng-wei?qiu課題組提出在4π顯微系統(tǒng)聚焦六束相干圓偏振光，實(shí)現(xiàn)了三維超分辨的純縱向磁化光斑。

3、以上公開報(bào)道的光致磁化場(chǎng)或磁化斑陣列大部分只沿著縱向方向，方向單一，無法實(shí)現(xiàn)三維高密度超分辨磁光記錄與存儲(chǔ)，且一般需要經(jīng)歷復(fù)雜優(yōu)化設(shè)計(jì)以得到復(fù)雜入瞳矢量光場(chǎng)。2018年，xiangping?li課題組利用正交偶極子對(duì)的輻射場(chǎng)逆向構(gòu)建橫向圓偏振光焦場(chǎng)，以誘導(dǎo)產(chǎn)生三維可指定朝向磁化場(chǎng)，但是此單一磁化場(chǎng)的半高全寬(fwhm)的尺寸大小為0.56λ′0.56λ′1.31λ，未超越衍射極限。鑒于上述存在的問題，本案發(fā)明人對(duì)該問題進(jìn)行深入研究，遂有本案產(chǎn)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述問題，本發(fā)明提供了一種基于任意朝向磁流線源天線的輻射場(chǎng)疊加一階螺旋位相因子來構(gòu)建同一光焦斑任意朝向直線陣列，并在磁性材料中誘導(dǎo)出同一磁化斑任意朝向直線陣列的方法。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種誘導(dǎo)同一磁化斑任意朝向直線陣列的方法，所述方法包括：

3、由兩個(gè)具有共焦區(qū)的物鏡建立緊聚焦系統(tǒng)；

4、在所述緊聚焦系統(tǒng)的共焦區(qū)放置磁流線源天線；其中，磁流線源天線的載波磁流在其長(zhǎng)度范圍內(nèi)相位分布均勻同相，幅度分布為周期n的余弦平方漸削分布；

5、計(jì)算磁流線源天線的輻射場(chǎng)，并在此基礎(chǔ)上疊加相同空間朝向的螺旋位相因子后輻射場(chǎng)往緊聚焦系統(tǒng)外側(cè)輻射，經(jīng)兩個(gè)相同的高數(shù)值孔徑物鏡準(zhǔn)直后往緊聚焦系統(tǒng)外側(cè)傳播，并根據(jù)透鏡對(duì)輻射光線的彎折效應(yīng)以求得物鏡入瞳面處的輻射場(chǎng)；

6、通過時(shí)間反演技術(shù)逆轉(zhuǎn)此時(shí)物鏡入瞳面處的輻射場(chǎng)，反向傳播，并向兩物鏡共焦區(qū)原點(diǎn)處聚焦，以在共焦區(qū)形成相對(duì)磁流線源天線空間朝向而言純橫向圓偏振光焦斑沿規(guī)定空間朝向排列的直線陣列光焦場(chǎng)；其中，緊聚焦系統(tǒng)兩側(cè)入瞳面的入射場(chǎng)相位相差180度；

7、基于逆法拉第效應(yīng)，在兩物鏡共焦區(qū)放置磁光材料，純橫向圓偏振光焦斑沿規(guī)定空間朝向排列的直線陣列光焦場(chǎng)能在其中誘導(dǎo)出超衍射極限磁化斑沿規(guī)定空間朝向排列的直線陣列光致磁化場(chǎng)。

8、進(jìn)一步的，所述緊聚焦系統(tǒng)用于匯聚兩側(cè)入瞳面的入射場(chǎng)，以在共焦區(qū)形成期望的高度局域光焦場(chǎng)并誘導(dǎo)出目標(biāo)光致磁化場(chǎng)，該緊聚焦系統(tǒng)由兩個(gè)相同的高數(shù)值孔徑物鏡共焦、光軸共線放置構(gòu)成；

9、在所述緊聚焦系統(tǒng)中建立參考直角坐標(biāo)系；其中，以兩物鏡的共焦點(diǎn)o作為直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)，以共線光軸右側(cè)所在方向?yàn)閦軸正方向，且z軸垂直于緊聚焦系統(tǒng)的焦平面xoy平面；其中x軸方向豎直向上，y軸與xoz平面垂直。

10、進(jìn)一步的，所述磁流線源天線的幾何長(zhǎng)度為，中心點(diǎn)位于所述直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)o；

11、所述磁流線源天線的空間朝向?yàn)?，其中和分別為線源天線朝向的極角和方位角；

12、所述磁流線源天線的磁流的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（1）：

13、??????????????????????????（1）

14、其中，為磁流振幅，為磁流線源的位置變量。

15、進(jìn)一步的，所述磁流線源天線輻射場(chǎng)的計(jì)算過程具體包括如下：首先計(jì)算該線源處，長(zhǎng)度為磁流基元的輻射場(chǎng)，再利用平行射線方法對(duì)其沿線源幾何長(zhǎng)度進(jìn)行積分累加，得到其輻射遠(yuǎn)場(chǎng)：

16、?（2）

17、其中：??（3）

18、?（4）

19、?（5）

20、 ?（6）

21、?（7）

22、（8）

23、其中，式中為與輻射方向圖無關(guān)的系數(shù)，為虛數(shù)單位，為角頻率，為自由空間介電常數(shù)，為波阻抗，為波數(shù)，和為輻射場(chǎng)球坐標(biāo)的單位矢量，和分別為磁流基元在和方向的方向性因子，為幅度為周期n余弦平方漸削分布磁流線源作為連續(xù)性線源的陣因子。

24、進(jìn)一步的，沿空間方向的螺旋位相因子的計(jì)算過程如下：

25、1）以xyz全局坐標(biāo)系為旋轉(zhuǎn)整體，全局坐標(biāo)的原點(diǎn)o為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，z軸沿著磁偶極子振蕩方向與oz所在平面一步旋轉(zhuǎn)至方向，形成旋轉(zhuǎn)后的軸；2)全局坐標(biāo)系的x軸和y軸同步旋轉(zhuǎn)至和軸，、和為旋轉(zhuǎn)后局部坐標(biāo)系的三個(gè)主軸；3)推導(dǎo)得空間方向的螺旋位相因子為：

26、（9）

27、其中，為拓?fù)浜蓴?shù)，為旋轉(zhuǎn)后局部坐標(biāo)系中平面的方位角；為誘導(dǎo)出目標(biāo)磁化場(chǎng)，式（9）拓?fù)浜蓴?shù)須取值為±1；

28、為獲得誘導(dǎo)目標(biāo)磁化場(chǎng)所需要的入射場(chǎng)，將計(jì)算所得的位于坐標(biāo)原點(diǎn)且空間朝向的磁流線源天線的輻射場(chǎng)疊加式（9）所示相同空間朝向的螺旋位相因子，得到疊加后輻射場(chǎng)表達(dá)式如式（10）所示。

29、（10）

30、進(jìn)一步的，所述物鏡入瞳面處的輻射場(chǎng)表達(dá)式如式（11）所示：

31、（11）

32、其中，為入瞳面的極坐標(biāo)，為入瞳面觀測(cè)點(diǎn)與入瞳中心的距離，為入瞳面觀測(cè)點(diǎn)的方位角，入瞳的分量由輻射場(chǎng)的分量彎折而來；由于透鏡對(duì)輻射光線的彎折，選擇滿足正弦條件物鏡構(gòu)成聚焦系統(tǒng)，其切趾函數(shù)為。

33、進(jìn)一步的，所述共焦區(qū)光焦場(chǎng)分布能由deby矢量衍射積分理論進(jìn)行計(jì)算并量化評(píng)估，計(jì)算公式為：

34、（12）

35、其中，為入瞳場(chǎng)經(jīng)物鏡彎折后的球面波前，其表達(dá)式如式（13）所示：

36、?（13）

37、其中、和分別為直角坐標(biāo)系沿三個(gè)主軸的單位矢量；另為光焦場(chǎng)的柱坐標(biāo)；所構(gòu)建的光焦場(chǎng)為純橫向圓偏振近衍射極限光焦場(chǎng)沿空間朝向排列的直線陣列光焦場(chǎng)，其數(shù)量、位置和間距由參數(shù)n、l0調(diào)控；純橫向是相對(duì)磁流線源天線空間朝向而言。

38、進(jìn)一步的，基于逆法拉第效應(yīng)，由高度局域純橫向圓偏振近衍射極限光焦場(chǎng)沿空間朝向排列的直線陣列光焦場(chǎng)能在磁光材料中誘導(dǎo)出與空間朝向相同或相反的光致磁化場(chǎng)，此光致磁化場(chǎng)由式（14）計(jì)算：

39、（14）

40、其中，和為光焦場(chǎng)的電場(chǎng)矢量及其共軛矢量，為與磁光材料有關(guān)的耦合系數(shù)。

41、由上述對(duì)本發(fā)明結(jié)構(gòu)的描述可知，和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

42、本發(fā)明利用任意朝向磁流線源天線的輻射場(chǎng)疊加一階螺旋位相因子來逆向推導(dǎo)入瞳場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)構(gòu)建純橫向圓偏振光焦斑沿規(guī)定空間朝向排列的直線陣列，此光焦斑陣列的數(shù)量、位置、間距等均可調(diào)控，且焦斑為近衍射極限大?。换谀娣ɡ谛?yīng)，所構(gòu)建的新穎光焦斑陣列，能夠誘導(dǎo)出超衍射極限磁化斑沿規(guī)定空間朝向排列的直線陣列，且磁化斑的數(shù)量、位置和間距同樣均可以靈活調(diào)控；本發(fā)明所提出的方法無需復(fù)雜的優(yōu)化過程即可以獲得入瞳矢量光場(chǎng)的解析表達(dá)式，所構(gòu)建的新穎磁化斑陣列在磁光存儲(chǔ)技術(shù)、并行原子捕獲、共聚焦核磁共振顯微鏡等方面具有廣泛的應(yīng)用潛力。