一种在强聚焦条件下生成类超环偏振拓扑结构时空波包的方法技术

本发明专利技术公开了一种在强聚焦条件下生成类超环偏振拓扑结构时空波包的方法，包括：通过对柱矢量二维时空涡旋作预劈裂处理，经高数值孔径透镜聚焦后，可在透镜焦平面处获得具有类超环偏振拓扑结构的时空波包，其强度分布在时空域内形成悠悠球状的三维时空结构。径向偏振二维时空涡旋被强聚焦后在焦平面形成的类超环偏振拓扑结构为横向磁场模式，即波包中磁场的振荡方向环绕超环的纬线，电场的振荡方向环绕超环的经线。角向偏振二维时空涡旋被强聚焦后在焦平面形成的类超环偏振拓扑结构为横向电场模式，此时波包中电场的振荡方向环绕超环的纬线，磁场振荡方向环绕超环的经线。根据本发明专利技术，可广泛应用于光与物质相互作用、等离子体物理、粒子加速、能源多个领域，为进一步生成超环结构电磁场提供了开创性的方法。超环结构电磁场提供了开创性的方法。超环结构电磁场提供了开创性的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种在强聚焦条件下生成类超环偏振拓扑结构时空波包的方法


[0001]本专利技术涉及电磁波信息传输的
，特别涉及一种在强聚焦条件下生成类超环偏振拓扑结构时空波包的方法。

技术介绍

[0002]由于环形拓扑场的有趣电磁特性可以实现非常规的光与物质相互作用，环形电动力学引起了越来越多的兴趣。在电磁超材料中，通过实验观察到了共振的环形偶极响应。在由径向偏振激发的低聚物纳米腔或金属
‑
介电
‑
金属三明治纳米结构中激发的等离子体激元中也发现了环形模式。此外，在低聚物纳米腔中激发的等离子体中也发现了环形模式。科学界还提出了一种基于驻波照明的新型光谱学方法，用于分析不同材料在环形偶极子作用下的光学跃迁。在量子计算中，可以利用环形偶极子对外界噪声的不敏感性来保护量子免受外界干扰。偶极子还可以用于测量介电常数，因为它可以在两个介质的界面上定向地将能量沉积在具有较高偏振率的材料中。
[0003]除了上述局部环形偶极子外，环形拓扑结构波包也可以存在于自由空间中。由于自由空间中电场和磁场的对偶性，环形拓扑结构波包有两种形式，即磁场振荡方向环绕超环纬线，电场振荡方向环绕超环经线的横向磁场模式(TM)；和电场振荡方向环绕超环的纬线，磁场振荡方向环绕超环经线的横向电场模式(TE)。这两种模式可以仅通过交换电场和磁场来互相转换，他们是麦克斯韦的“修正功率谱”脉冲解。
[0004]后续研究表明，当单周期电磁脉冲通过焦点演化时，Gouy相移在引起时间重塑、时间反转和极性反转中起着重要作用。近年来，有研究表明环形脉冲在各向同性介质中在反射和折射下经历了复杂的偏振敏感变换，并且可以激发球形介电粒子中占主导地位的动态环形偶极子模式。TM环形脉冲可以作为介电材料中动态anapole激发的诊断和光谱分析工具。后来，科研人员设计了一种超材料转换器，通过控制入射脉冲的空间和光谱结构来产生环形波包。此外，还对电磁环脉冲中的奇点进行了数值分析，利用量子力学的方法定量分析了电磁环脉冲中的时空不可分离性。尽管这一新兴领域进行了大量研究，但仍然缺乏在高数值孔径透镜聚焦区产生类超环偏振拓扑结构时空波包的方法。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的不足之处，本专利技术的目的是提供一种在强聚焦条件下生成类超环偏振拓扑结构时空波包的方法，可广泛应用于光与物质相互作用、等离子体物理、粒子加速、能源多个领域，为进一步生成超环结构电磁场提供了开创性的方法。为了实现本专利技术的上述目的和其他优点，提供了一种在强聚焦条件下生成类超环偏振拓扑结构时空波包的方法，包括：
[0006]将预处理的柱矢量二维时空涡旋经过高数值孔径透镜聚焦，包括以下步骤：
[0007]S1、将柱矢量二维时空涡旋作为聚焦系统的入射光场，其表达式为：
[0008][0009]其中w是波包在空间域内的束腰半径，w
t
是时域中波包最大强度的1/e2处的半脉冲宽度。e
x
是沿x方向的单位向量，e
y
是沿y方向的单位向量；
[0010]S2、为克服聚焦系统的时空像散效应需要对入射时空波包进行预劈裂处理，详细的预劈裂过程如下：
[0011]S21、首先对在x
‑
t面内携带横向轨道角动量的柱矢量一维时空涡旋进行预劈裂处理，劈裂方法如下：
[0012][0013]其中为在x
‑
t面内携带拓扑荷数为+1的柱矢量一维时空涡旋，为在x
‑
t面内携带拓扑荷数为
‑
1的柱矢量一维时空涡旋，它们的表达式分别如下：
[0014][0015][0016]S22、在步骤S21中式(2)的基础上，对其施加y
‑
t面内的时空螺旋相位，并进行预劈裂处理，可得到预劈裂后的柱矢量二维时空涡旋的表达式为：
[0017][0018]S3、将预处理后的柱矢量二维时空涡旋作为强聚焦系统的入射场，经过高数值孔径透镜聚焦，在焦平面获得具有类超环偏振拓扑结构的时空波包。
[0019]优选的，步骤S1中β用于控制入射时空涡旋的偏振态，当β＝0时入射场为径向偏振；当β＝90
°
时入射场为角向偏振。
[0020]优选的，步骤S3中焦平面内的类超环偏振拓扑结构时空波包的场分布可以根据Richards
‑
Wolf矢量衍射公式计算得到：
[0021][0022]其中B(θ)描述透镜的切趾函数，对于正弦透镜其中B(θ)描述透镜的切趾函数，对于正弦透镜描述
球面Ω上折射场的复振幅分布，可以表示为：
[0023][0024]优选的，所述描述了入射场的偏振分布经过高数值孔径透镜折射后的偏振变化情况为：
[0025][0026]当β＝0时，
[0027]当β＝90
°
时，
[0028]本专利技术与现有技术相比，其有益效果是：
[0029](1)预处理的柱矢量二维时空涡旋经过高数值孔径透镜聚焦，在透镜焦平面处产生具有类超环偏振拓扑结构时空波包的方法，为在实验上生成具有超环拓扑结构的脉冲波包提供了一种切实可行的技术路径，在能源、粒子加速等领域有着重大应用前景。
[0030](2)本专利技术生成的类超环偏振拓扑结构时空波包同时携带有横向轨道角动量和空间域内的偏振奇点，在涉及轨道角动量和奇点光学的领域具有潜在的应用价值。
[0031](3)本专利技术可以控制入射场的偏振态来选择生成的类超环偏振拓扑结构的模式。
[0032](4)本专利技术适用范围广，本专利技术所使用的方法可适用于全波段的时空光场。
附图说明
[0033]图1为根据本专利技术的在强聚焦条件下生成类超环偏振拓扑结构时空波包的方法的预处理后的柱矢量二维时空涡旋经过高数值孔径透镜聚焦的原理示意图；
[0034]图2为根据本专利技术的在强聚焦条件下生成类超环偏振拓扑结构时空波包的方法的未预处理的径向偏振入射波包及其水平和垂直偏振分量；
[0035]图3为根据本专利技术的在强聚焦条件下生成类超环偏振拓扑结构时空波包的方法的预处理后的径向偏振入射波包及其水平和垂直偏振分量；
[0036]图4为根据本专利技术的在强聚焦条件下生成类超环偏振拓扑结构时空波包的方法的预处理后的径向偏振二维时空涡旋经过高数值孔径透镜聚焦后在透镜焦平面处获得的具有类超环偏振拓扑结构的时空波包中三个偏振分量的强度和相位分布图；
[0037]图5为根据本专利技术的在强聚焦条件下生成类超环偏振拓扑结构时空波包的方法的
预处理后的径向偏振二维时空涡旋经过高数值孔径透镜聚焦后在透镜焦平面处获得的具有类超环偏振拓扑结构的时空波包及其偏振分布。
具体实施方式
[0038]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在强聚焦条件下生成类超环偏振拓扑结构时空波包的方法，用于将预处理的柱矢量二维时空涡旋经过高数值孔径透镜聚焦，其特征在于，包括以下步骤：S1、将柱矢量二维时空涡旋作为聚焦系统的入射光场，其表达式为：其中w是波包在空间域内的束腰半径，w
t
是时域中波包最大强度的1/e2处的半脉冲宽度。e
x
是沿x方向的单位向量，e
y
是沿y方向的单位向量；S2、为克服聚焦系统的时空像散效应需要对入射时空波包进行预劈裂处理，预劈裂后的表达式为：S3、将预处理后的柱矢量二维时空涡旋作为强聚焦系统的入射场，经过高数值孔径透镜聚焦，在焦平面获得具有类超环偏振拓扑结构的时空波包。2.如权利要求1所述的一种在强聚焦条件下生成类超环偏振拓扑结构时空波包的方法，其特征在于，步骤S1中β用于控制入射时空涡旋的偏振态，当β＝0时入射场为径向偏振；当β＝90
°
时入射场为角向偏振。3.如权利要求2所述的一种在强聚焦条件下生成类超环偏振拓扑结...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建，詹其文，郑鹏坤，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：