CN109783888B - 一种多维可控的光致针形磁化场的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维可控的光致针形磁化场的生成方法，涉及光场调控技术领域，生成经过设计的输入光场，通过高数值孔径透镜聚焦，焦点汇聚在磁光材料上，产生针形磁化场。通过改变输入光场分布，从而调控针形磁化场的磁化矢量方向、空间位置以及线度，即生成多维可控的光致针形磁化场。与产生针形定磁矢磁化场等已有的技术相比，本方法灵活性以及可操控性明显提高。本发明中使用到的装置简易，生成的各类针形磁化场能量集中且均匀，能满足不同的需求，比如磁粒子捕获、全光磁记录以及提高存储效率与存储容量。

Description

一种多维可控的光致针形磁化场的生成方法

技术领域

本发明涉及光场调控技术领域，特别是一种多维可控的光致针形磁化场的生成方法。

背景技术

近年来，国内外研究者对光场与磁光材料之间的相互作用产生了兴趣，特别是对光束紧聚焦后诱导的磁化场越来越受到人们的关注。研究发现，高数值孔径透镜聚焦的圆偏振光可以诱导小的磁化焦点。在全光磁记录中，紧聚焦的相反螺旋圆偏振光产生的磁化反转为纵向磁化记录提供了一种有效的途径，通过优化设计二元滤波器与固体浸入式透镜能进一步提高纵向磁化场的纯度。然而，紧聚焦的圆偏振光在离轴区域伴随着中空的横向磁化场，这将不利于高密度的全光磁记录。

为了消除横向磁化场分量，研究者们通过对入射光束的多维度调控、选用特殊光束以及设计特殊结构来解决这个问题。例如使用紧聚焦的角向偏振涡旋光束产生了亚衍射极限的纯纵向磁化场[Y.Jiang,X.Li,and M.Gu,"Generation of sub-diffraction-limited pure longitudinal magnetization by the inverse faraday effect bytightly focusing an azimuthally polarized vortex beam,"Opt.Lett.38(19),2957-2960(2013)]；使用角向和径向调制的环状相位滤波器产生了28λ的纵向磁针[Wangzi Ma,Dawei Zhang,Linwei Zhu,and Jiannong Chen,"Super-long longitudinalmagnetization needle generated by focusing an azimuthally polarized andphase-modulated beam,"Chin.Opt.Lett.13,052101-052101(2015)]；使用环状螺旋相位滤波器产生亚波长的纵向磁针[Sicong Wang,Xiangping Li,Jianying Zhou,and MinGu,"Ultralong pure longitudinal magnetization needle induced by annularvortex binary optics,"Opt.Lett.39,5022-5025(2014)]等。以上所述的这些纵向磁化场能够很好地消除横向磁化场分量，产生长的磁针。但是，如何方便地产生多功能的磁化结构，以及如何在三维空间中自由地控制光诱导磁化场的自由度仍然没有解决。现有技术存在生成磁针磁化矢量单一的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种多维可控的光致针形磁化场的生成方法，本发明通过改变输入光场的信息，来调控针形磁化场的磁化矢量方向、空间位置以及线度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种多维可控的光致针形磁化场的生成方法，具体方法如下：

将输入光场垂直入射到透镜后聚焦在磁光材料上，获得针形磁化场；磁光材料放置在透镜的后焦面上；

输入光场

为：

其中，e为自然常数，j为虚数单位，k为波矢，θ为球坐标系下的天顶角坐标，

为球坐标系下的方位角坐标，θ₁为针形磁化场磁化矢量方向的天顶角坐标，φ_M为针形磁化场磁化矢量方向的方位角坐标，e_θ为θ方向的单位矢量，

为

方向的单位矢量，l_n为第n个空间分布因子，α_n为第n个夹角变换因子，A_n为第n个加权因子，N为空间分布因子的个数，空间分布因子的个数、夹角变换因子的个数和加权因子的个数相同，x为直角坐标系下针形磁化场中心的x轴坐标,y为直角坐标系下针形磁化场中心的y轴坐标,z为直角坐标系下针形磁化场中心的z轴坐标。

作为本发明所述的一种多维可控的光致针形磁化场的生成方法进一步优化方案，透镜的数值孔径大于0.8。

作为本发明所述的一种多维可控的光致针形磁化场的生成方法进一步优化方案，透镜用于紧聚焦矢量光束，磁光材料用于提供逆法拉第效应所需的磁化介质。

作为本发明所述的一种多维可控的光致针形磁化场的生成方法进一步优化方案，通过改变输入光场中磁化矢量方向坐标(θ₁,φ_M)、针形磁化场在直角坐标系下的空间坐标(x,y,z)、N来改变输入光场的分布，达到调控针形磁化场的磁化矢量方向、空间位置和线度的目的。

作为本发明所述的一种多维可控的光致针形磁化场的生成方法进一步优化方案，

通过改变(x,y,z)来改变输入光场，用于移动针形磁化场的空间位置；

通过改变N来改变输入光场,用于改变针形磁化场的线度；

通过改变(θ₁,φ_M)改变输入光场，用于调节针形磁化场的磁化矢量方向。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明通过设计计算，得到了输入光场的分布函数，生成了输入光场，然后用高数值孔径透镜紧聚焦，能够在焦点处的磁光材料上诱导出针形磁化场；

(2)通过改变空间分布因子、夹角变换因子以及加权因子，可以更改输入光场的分布信息，进而可以得到磁化矢量方向不同、线度不同、空间位置不同的针形磁化场；

(3)本发明方法简单容易实现，产生的针形磁化场的磁化矢量方向、空间位置以及长度任意可变，而且这种针形磁化场能量集中、均匀，在磁粒子捕获、全光磁记录以及提高存储效率与存储容量等方面有着非常广阔的应用。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2a为本发明具体实施例一中输入光场的振幅。

图2b为本发明具体实施例一中输入光场的相位。

图2c为本发明具体实施例一中输入光场的偏振分布。

图3为本发明具体实施例一中针形磁化场xy、xz面分布和磁化矢量分布。

图4a为本发明具体实施例二中输入光场的振幅。

图4b为本发明具体实施例二中输入光场的相位。

图4c本发明具体实施例二中输入光场的偏振分布。

图5为本发明具体实施例二中针形磁化场xy、xz面分布和磁化矢量分布。

图6a为本发明具体实施例三中输入光场的振幅。

图6b为本发明具体实施例三中输入光场的相位。

图6c为本发明具体实施例三中输入光场的偏振分布。

图7为本发明具体实施例三中针形磁化场xy、xz面分布和磁化矢量分布。

图8a为本发明具体实施例四中输入光场的振幅。

图8b为本发明具体实施例四中输入光场的相位。

图8c为本发明具体实施例四中输入光场的偏振分布。

图9为本发明具体实施例四中针形磁化场xy、xz面分布和磁化矢量分布。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明提出了一种多维可控的光致针形磁化场的生成方法，既能根据需要在任意位置处产生针形磁化场之外，也能实现针形磁化场磁化矢量方向的任意调控，还能根据磁光材料的厚度产生线度不一的针形磁化场。本发明生成的这种针形磁化场能量集中、均匀，在磁粒子捕获、全光磁记录以及提高存储容量等方面有着非常广阔的应用。

如图1所示的一种多维可控的光致针形磁化场的生成方法的装置，包括：同轴顺序设置的光源1、高数值孔径透镜2、磁光材料3，高数值孔径透镜是透镜的数值孔径大于0.8。磁光材料放置在高数值孔径透镜2的后焦面上。

生成输入光场,输入光场垂直入射到高数值孔径透镜，紧聚焦在磁光材料，即焦平面处产生焦场。该焦场诱导磁光材料产生针形磁化场。

本发明通过改变输入光场的分布，实际可实现三个功能：一是针形磁化场空间位置可调，二是针形磁化场线度可调，三是针形磁化场磁化矢量方向可调。

在下述的实施例中，坐标系构建均采用以下标准：以透镜焦点为原点O，光轴为z轴，光束沿光轴传播方向为正方向，过O点垂直于光轴沿竖直方向为y轴，沿光束传播方向向上为正方向，过O点垂直于光轴沿水平方向为x轴，沿光束传播方向向左为正方向，建立直角坐标系。直角坐标系中任意一点表示为(x,y,z)。直角坐标系转球坐标系关系为：θ＝arccos(z/(x²+y²+z²)^1/2)，

实施例一：

若要在原点(x,y,z)＝(0,0,0)处生成因子个数N＝2，且磁化矢量方向为(θ₁,φ_M)＝(0,0)的针形磁化场，则输入光场表达式为：

电场分布如图2a、图2b、图2c，图2a为本发明具体实施例一中输入光场的振幅，图2b为本发明具体实施例一中输入光场的相位，图2c为本发明具体实施例一中输入光场的偏振分布。从左至右依次为电场的振幅分布、相位分布以及偏振分布。针形磁化场的xy面、xz面分布和针形磁化场的磁化矢量分布如图3所示。

实施例二：

如果我们需要产生在空间位置(x,y,z)＝(λ,0,2λ)处，其中λ为入射光的波长，因子个数N＝2和磁化矢量方向为(θ₁,φ_M)＝(0,0)的针形磁化场，则输入光场表达式为：

电场振幅、相位和偏振分布如图4a，图4b,图4c所示，图4a为本发明具体实施例二中输入光场的振幅，图4b为本发明具体实施例二中输入光场的相位，图4c本发明具体实施例二中输入光场的偏振分布。针形磁化场的xy面、xz面分布和针形磁化场的磁化矢量分布如图5所示。从图5中可以看出，磁斑中心移动到了空间位置(x,y,z)＝(λ,0,2λ)处，且磁化矢量方向与线度未发生变化。实现了空间位置的任意移动。

实施例三：

更改因子个数N＝3，磁斑位置及磁化矢量方向如实施例一，即(x,y,z)＝(0,0,0)、(θ₁,φ_M)＝(0,0)。则输入光场表达式为：

电场振幅、相位和偏振分布如图6a，图6b，图6c所示，图6a为本发明具体实施例三中输入光场的振幅。图6b为本发明具体实施例三中输入光场的相位。图6c为本发明具体实施例三中输入光场的偏振分布。针形磁化场的xy面、xz面分布和针形磁化场的磁化矢量分布如图7所示。从图7中可以看出，磁斑中心和磁化矢量方向与图3一致，而磁斑的线度变长了。实现了针形磁化场线度的控制。

实施例四：

如果需要将针形磁化场的磁化矢量方向变化为(θ₁,φ_M)＝(π/3,π/6)，因子个数N＝2和空间位置为(x,y,z)＝(0,0,0)。则输入光场表达式为：

电场振幅、相位和偏振分布如图8a，图8b，图8c所示，图8a为本发明具体实施例四中输入光场的振幅，图8b为本发明具体实施例四中输入光场的相位，图8c为本发明具体实施例四中输入光场的偏振分布。针形磁化场的xy面、xz面分布和针形磁化场的磁化矢量分布如图9所示。针形磁化场的磁化矢量发生了变换，从图3磁化矢量图中矢量的方向(θ₁,φ_M)＝(0,0)变化为(θ₁,φ_M)＝(π/3,π/6)。实现了针形磁化场磁化矢量方向的控制。

综上所述，本发明通过设计计算出输入光场的分布，并依据现有技术生成输入光场，通过高数值孔紧聚焦后照射在磁光材料上，经逆法拉第效应诱导产生空间位置可调的、线度可变化的、磁化矢量方向可设计的针形磁化场。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种多维可控的光致针形磁化场的生成方法，其特征在于，具体方法如下：

将输入光场垂直入射到透镜后聚焦在磁光材料上，获得针形磁化场；磁光材料放置在透镜的后焦面上；

输入光场

为：

其中，e为自然常数，j为虚数单位，k为波矢，θ为球坐标系下的天顶角坐标，

为球坐标系下的方位角坐标，θ₁为针形磁化场磁化矢量方向的天顶角坐标，φ_M为针形磁化场磁化矢量方向的方位角坐标，e_θ为θ方向的单位矢量，

为

方向的单位矢量，l_n为第n个空间分布因子，α_n为第n个夹角变换因子，A_n为第n个加权因子，N为空间分布因子的个数，空间分布因子的个数、夹角变换因子的个数和加权因子的个数相同，x为直角坐标系下针形磁化场中心的x轴坐标,y为直角坐标系下针形磁化场中心的y轴坐标,z为直角坐标系下针形磁化场中心的z轴坐标；

通过改变输入光场中磁化矢量方向坐标(θ₁,φ_M)、针形磁化场在直角坐标系下的空间坐标(x,y,z)、N来改变输入光场的分布，达到调控针形磁化场的磁化矢量方向、空间位置和线度的目的。

2.根据权利要求1所述的一种多维可控的光致针形磁化场的生成方法，其特征在于，透镜的数值孔径大于0.8。

3.根据权利要求1所述的一种多维可控的光致针形磁化场的生成方法，其特征在于，透镜用于紧聚焦矢量光束，磁光材料用于提供逆法拉第效应所需的磁化介质。

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