CN114047627A - 利用多级零轨道角动量系统实现电磁聚焦的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用多级零轨道角动量系统实现电磁聚焦的方法。该方法通过提出多级轨道角动量系统，并设计使其总轨道角动量为零来实现电磁的聚焦。相比于传统聚焦研究中通过计算光程差使辐射满足聚焦所需相位的聚焦方法，该方法不再基于等光程原则，所以对相位控制的依赖度降低。由于聚焦依赖于系统总轨道角动量，故而聚焦系统的实现手段更丰富，克服了经典聚焦中仅可通过相位调控来实现的手段单一问题，为聚焦性能的提高提供了新方向。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件(G02F)、图纹面的照相制版工艺(G03F)、天线(H05B6/72)领域，具体是利用多级零轨道角动量系统实现电磁聚焦的方法。
背景技术
电磁聚焦是光学、电磁领域的关键研究内容，它是成像技术的基础，同时在能量传输、信息技术、天线等研究中发挥重要作用。在芯片制造中，光学刻蚀作为半导体器件加工的主流工艺，其同样以光学聚焦为主要技术手段。在传统光学聚焦研究中，基于等光程原理，通过相应出射波相位分布的设计，使出射口径到焦点位置处的相位相同来实现光学聚焦。在所有形式的聚焦设计中，都利用这一策略，它已成为聚焦的唯一方法。然而，该方法需要对光学装置进行准确设计，以达到精准的相位控制，从而增加加工难度，限制了系统成像分辨率。由于单一考虑相位因素，光学成像器件多为相控器件，导致成像手段和转置单一。
发明内容
本发明改变了传统电磁聚焦的基本思路，提供了一种利用多级零轨道角动量系统实现电磁聚焦的方法，改变了以往电磁聚焦仅依赖于等相位原理的单一聚焦策略，降低电磁聚焦系统的加工难度，丰富其实现手段，为提高聚焦系统成像分辨率提供新途径。
本发明提供了一种利用多级零轨道角动量系统实现电磁聚焦的方法，该聚焦方法基于多级电磁轨道角动量系统实现，每级轨道角动量作为其上级轨道角动量系统的子系统，角动量系统级数大于等于2。多级轨道角动量概念由本发明首次提出并应用于电磁聚焦，与传统单级轨道角动量系统相比，每级系统下级的辐射单元本身含有轨道角动量。
进一步改进，所述多级电磁轨道角动量系统的总轨道角动量为零，如是可以实现最优的聚焦性能，否则会使焦斑扩散，甚至使焦点变为黑斑。
进一步改进，所述多级零轨道角动量系统，各级角动量子系统为旋转对称均匀分布，各级模式数之和为零，这是出于简化多级零轨道角动量系统考虑，在本发明提出的方法中，在系统总轨道角动量为零时皆可以实现聚焦功能，故不应构成对本发明的不当限定。各级轨道角动量的模式不可同时为零，否则理论上系统的聚焦位置为无限远。
进一步改进，所述多级零轨道角动量系统实现电磁聚焦的方法，其焦距和聚焦分辨率通过调整角动量系统总体口径、角动量模式数参数实现。以两级系统为例，在系统口径不变的情况下，角动量模式数的绝对值增大，则焦距减小，角分辨率增大；在系统模式数不变的情况下，系统口径增大，则焦距增大，角分辨率减小。
进一步改进，所述利用多级零轨道角动量系统实现电磁聚焦的方法，其实现包括以下步骤：
(1)根据预设轨道角动量系统的级数，建立相应的轨道角动量空间分布，系统的级数应根据聚焦参数及激励口径尺寸适当选择，激励设计应确保每级轨道角动量都可以有效激励；
(2)参考传统单级轨道角动量激励系统，计算激励每一级轨道角动量所需的相位分布；
(3)完成最底级轨道角动量的激励，最底级为没有下一级轨道角动量的子系统，即组成其的单元不携带轨道角动量，各级激励过程以该级自身的中心为参考坐标中心，激励相位满足相应模式的激励需要；
(4)在完成最底级轨道角动量激励后，将上一级系统的相位分布引入到最底级系统中，作为该子系统的参考相位，计算过程中每个子系统的参考相位值选用上一级相位分布在该子系统中心处的相位值；
(5)重复(4)中步骤，直到计算至最上级轨道角动量系统，完成整个系统的相位分布计算，该相位分布体现为所有最底级轨道角动量系统的相位分布，
(6)选用适当的激励方式实现相应激励相位，通过对该系统进行相位赋形，完成整个多级轨道角动量系统设计。
进一步改进，所述多级电磁轨道角动量系统，由于聚焦功能仅基于多级系统的总角动量，所以在任意单级轨道角动量可有效激励的前提下，不依赖于激励系统形式，包括：
(1)激励方法可以借助相控装置实现，如利用天线、天线阵等电磁辐射形式，也可利用透镜、超材料、超表面等空间相位控制方法；同样亦不依赖于激励口径形状，激励系统口径可为环形、圆形、矩形等。激励方式和口径形状应根据实际用途、需求和使用环境适当选取。基于轨道角动量的一般研究成果，口径形状建议选用环形和圆形。
(2)激励方法也可利用电磁旋性系统或材料实现，如具有角动量的离子、分子、原子类天然旋性系统，也可采用如光纤、纳米线等人工制备的角动量系统。
进一步改进，所述多级电磁轨道角动量系统可实现焦点的位置扫描或多焦点工作，具体为引入扫描或多波束相位，利用复数相加方法，将扫描或多波束相位与多级轨道角动量系统的激励相位进行复数合成。
本发明有益效果在于：
1、本方法提出了多级轨道角动量的概念，使得轨道角动量系统具有聚集的功能。
2、多级零轨道角动量系统的聚焦方法改变了传统研究中基于等光程原理的聚焦思路，为电磁聚焦提供了新途径。
3、零轨道角动量聚焦方法基于系统角动量，避免了传统研究中对相位精准控制的要求。
4、零轨道角动量聚焦方法提供了新型的聚焦设备形式，可以不采用相位调控设备，而仅采用电磁角动量调控系统，成为聚焦分辨率提高的原理性解决策略。
附图说明
构成本发明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是两级零轨道角动量聚焦系统示意图。
图2是两级零轨道角动量聚焦系统的聚焦效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
在权利要求书第4款中，多级零轨道角动量聚焦系统的实施方法基于两级零轨道角动量聚焦系统，同时由于在传统单级轨道角动量激励研究中，多以环形口径作为典型形式，故本实施例中以环形口径形式的两级轨道角动量聚焦系统为例展开介绍。其余口径形式依据传统单级轨道角动量激励方法实现每一级系统激励即可，更多级系统可通过两级系统实施例推广得出。
本发明一种具体实施例如图1所示，为两级轨道角动量聚焦系统实施方式。在实际应用中，系统轨道角动量级数应根据聚焦和激励口径尺寸适当选择，即既要满足其电磁性能，又要确保为各级轨道角动量的有效激励提供足够的口径空间。在本实施例中，系统具有两级轨道角动量，且为环形激励口径。需要指出的是，在本实施例中选用环形口径是出于借鉴传统单级系统激励的研究成果、简化激励系统、便于直观接收本实施例的考虑，本方法对于激励口径没有固定要求。其具体方法为，根据传统单级轨道角动量的激励理论，所有可有效激励单级轨道角动量的口径形式皆可用于多级系统的激励，应用中应根据具体实施环境适当选择口径形式，这类方法是在本发明的基础上，利用基本物理原理获得的，故亦应属于本发明的保护范围。
如图1所示，G1-G8自身为环形形式的轨道角动量系统，由于G1-G8自身为环形系统，故具有旋转对称性，它的辐射基本单元不携带轨道角动量，因此为最底级系统。这八个子系统分布在一个环上，构成它们的上一级轨道角动量系统，成为第二级系统，它的子系统G1-G8俱携带轨道角动量。如是，则完成两级轨道角动量系统的空间建构。为满足系统总角动量0的条件，系统第二级和最底级轨道角动量的模式数互异号。若设第二级轨道角动量的模式为+l，其狄拉克符号记为|+l,0〉，最底级系统的轨道角动量模式为-l，其狄拉克符号记为|0,-l〉，如是总系统的狄拉克符号则记为|+l,-l〉，总角动量为0。需要指出的是，各级轨道角动量的模式不可同时为零，即l≠0，这是又如当l＝0时，各级系统都不携带轨道角动量，虽然总角动量为0，但不构成多级角动量系统，此时聚焦位置为无限远，失去聚焦功能。如此，各个最底层系统激励同样的轨道角动量电磁波，以G1到G3为例，其激励轨道角动量电磁波H1-H3，它们完全相同，具有相同的模式数，不同的是它们的初始相位为第二级角动量相位在该子系统中心处的相位。在本实施例中，最底级系统均匀分布在上一级系统中，这是出于简化多级零轨道角动量系统考虑，在其它应用中，在保证系统总角动量为零的前提下，任意排列形式皆可实现聚焦功能，故不应构成对本发明的不当限定。
由于最底级轨道角动量系统的模式数为-l，故以各子系统自身中心为中心，环上的激励相位分布沿θi方向从0到-2lπ均匀变化，其中θi＝0的方向为与x方向平行的方向，且逆时针方向为正方向。由于第二级轨道角动量系统的模式数为l，故以该系统中心，即原点为中心，该级系统环上的相位分布沿θe方向从0到2lπ均匀变化，其中θe＝0的方向为x方向，且逆时针方向为正方向。至此，则计算得到各级角动量系统的激励相位分布。
之后将两级相位分布进行整合，其具体步骤如下：
(1)在最底级轨道角动量系统中，各个系统都进行相位赋形，此时每个子系统完全一致，相位都为沿θi方向从0到-2lπ均匀变化的分布；
(2)将第二级相位分布引入到最底级系统中，即将第二级相位分布在某子系统中心处的相位带入到最底级的相位分布中，作为该子系统相位分布的初始相位。
以G6为例，其自身角动量激励相位为沿θi方向从0到-2lπ均匀环形分布；G6子系统的中心位置在第二级系统环形分布中的位置为3/4π，则此位置处对应第二级系统的相位分布为3l/4π，将之作为该子系统相位分布的起始相位，此时该子系统的相位分布变为沿θi方向从3l/4π到3l/4π-2lπ均匀环形分布。至此，则完成了两级轨道角动量聚焦系统的相位计算。重复如上步骤可以实现更多级轨道角动量的相位计算。
在计算得出相应相位分布后，对所需相位进行实现。所有相位控制器件皆可应用于多级角动量系统的相位赋形，如天线模式控制、相控天线阵、透镜系统及超表面等。此外，基于角动量的聚焦方法，本身具有轨道角动量的系统同样可以作为本方法的实现手段，如电旋性系统等。故相位实现手段的选择不应构成对本发明的不当限定。
两级零轨道角动量聚焦系统的聚焦效果如图2所示，此处以|+2,-2＞模式为例。由系统归一化辐射强度可以看出该系统具有明显的聚焦效果，聚焦位置位于系统前130mm，在瑞利判据下具有9.5°的分辨率。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种利用多级零轨道角动量系统实现电磁聚焦的方法,其特征在于：该聚焦方法基于多级电磁轨道角动量系统实现，每级轨道角动量作为其上级轨道角动量系统的子系统，角动量系统级数大于等于2。
2.根据权利要求1所述的利用多级零轨道角动量系统实现电磁聚焦的方法，其特征在于：所述多级电磁轨道角动量系统的总轨道角动量为零。
3.根据权利要求1、2所述的利用多级零轨道角动量系统实现电磁聚焦的方法，其特征在于：所述多级零轨道角动量系统，各级角动量子系统为旋转对称均匀分布，各级模式数之和为零，但不同时为零。
4.根据权利要求1、2所述的利用多级零轨道角动量系统实现电磁聚焦的方法，其特征在于：所述多级零轨道角动量聚焦系统，其焦距和聚焦分辨率通过调整角动量系统总体口径、角动量模式数参数实现。
5.根据权利要求1、2所述的利用多级零轨道角动量系统实现电磁聚焦的方法，其特征在于系统实现包括以下步骤：
(1)根据预设轨道角动量系统的级数，建立相应的轨道角动量激励结构，确保每级轨道角动量都可以有效激励；
(2)计算激励每一级轨道角动量所需的相位分布；
(3)完成最底级轨道角动量的激励，其激励过程以子系统自身中心为参考坐标中心，激励相位满足相应模式的激励需要；
(4)将上一级系统的相位分布引入到最底级系统中，作为每个子系统的参考相位，计算过程中每个子系统的参考相位值选用上一级相位分布在该子系统中心处的相位值；
(5)重复(4)中步骤，直到计算至最上级轨道角动量系统，从而完成整个系统的相位分布计算；
(6)选用适当的激励方式实现相应激励相位。
6.根据权利要求1、5所述的利用多级零轨道角动量系统实现电磁聚焦的方法，其特征在于：所述多级零轨道角动量系统，任意一级轨道角动量可选用相控装置，也可利用电磁旋性系统或材料实现激励。
7.根据权利要求1、5、6所述的利用多级零轨道角动量系统实现电磁聚焦的方法，其特征在于：所述任意一级轨道角动量可选用相控装置实现激励，其相控装置不限于特定形式，可包括电磁辐射单元及阵列、透镜、超材料、超表面。
8.根据权利要求1、5所述的利用多级零轨道角动量系统实现电磁聚焦的方法，其特征在于：所述多级电磁轨道角动量系统，其焦点的位置可通过引入梯度相位实现扫描。
9.根据权利要求1、5所述的利用多级零轨道角动量系统实现电磁聚焦的方法，其特征在于：所述多级电磁轨道角动量系统，可通过引入多波束相位实现多焦点设计。
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