一种自聚焦环形艾里光束阵列的优化设计方法及系统

技术特征：
1.一种自聚焦环形艾里光束阵列的优化设计方法，其特征在于，所述方法包括：确定环形艾里光束阵列在初始平面上的电场分布表达式；所述环形艾里光束阵列由艾里光束在初始平面上绕旋转轴旋转多次后所形成；根据所述电场分布表达式，确定环形艾里光束阵列在自由空间传输时的电场解析表达式；根据所述电场解析表达式，确定环形艾里光束阵列在光束传输方向轴上点电场的简化表达式；利用所述轴上点电场的简化表达式，在给定光束参数条件下计算不同艾里光束数目对应的环形艾里光束阵列在自由空间传输时焦平面上的最大光强，并绘制最大光强随艾里光束数目的变化关系曲线；所述最大光强用于表征环形艾里光束阵列的自聚焦能力；在所述变化关系曲线上选取最大光强首次出现最大值时的艾里光束数目，并确定为在给定光束参数条件下环形艾里光束阵列自聚焦能力饱和时的最优艾里光束数目。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电场分布表达式为式中，e(x,y,0)为环形艾里光束阵列在初始平面z＝0上的电场分布；x为直角坐标系中的x轴上的坐标值；y为直角坐标系中的y轴上的坐标值；x＝xcosθ
n-ysinθ
n
c，x表示第n个艾里光束在x轴方向上的位置；y＝xsinθ
n
ycosθ
n
c，y表示第n个艾里光束在y轴方向上的位置；θ
n
＝2(n-1)π/n，θ
n
表示第n个艾里光束绕z轴旋转的角度；n为艾里光束数目，n为大于1的正整数；c为偏心距离；a为光强控制参数，a使得环形艾里光束阵列在初始平面上的最大光强为1；a为指数衰减因子；w0为尺度因子；ai(
·
)为艾里函数。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电场解析表达式为式中，e(x,y,z)表示环形艾里光束阵列在自由空间传输时的电场分布；z为直角坐标系中的z轴上的坐标值；z轴既是光束传输的方向，又是艾里光束的旋转轴；z0表示瑞利距离，k表示波数；i表示虚数单位。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述轴上点电场的简化表达式为式中，e(0,0,z)表示环形艾里光束阵列在自由空间传输时光束传输方向轴上点的电场分布。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，利用所述轴上点电场的简化表达式，在给定光束参数条件下计算不同艾里光束数目对应的环形艾里光束阵列在自由空间传输时焦
平面上的最大光强，具体包括：利用公式z
f
＝2kw0(w0x
p
)
1/2
确定焦平面的位置；式中，z
f
表示焦平面的位置，x
p
表示环形艾里光束阵列在初始平面x轴正方向上第一个峰值强度的位置；根据焦平面的位置和所述轴上点电场的简化表达式，确定环形艾里光束阵列在自由空间传输时焦平面上的最大光强表达式为i(0，0，z
f
)＝|e(0，0，z
f
)|2；式中，i(0,0,z
f
)表示环形艾里光束阵列在自由空间传输时焦平面上的最大光强，e(0,0,z
f
)表示环形艾里光束阵列在自由空间传输时焦平面轴上点的电场；改变艾里光束数目n，并在给定光束参数条件下将每一个艾里光束数目代入最大光强表达式，获得每一个艾里光束数目对应的最大光强。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，最大光强随艾里光束数目的变化关系曲线的规律为：最大光强随着艾里光束数目的增大而增大，直至艾里光束数目增大到最优艾里光束数目时，最大光强达到最大值，此后艾里光束数目从最优艾里光束数目逐渐增大，但最大光强一直为最大值不再变化，环形艾里光束阵列的自聚焦能力达到饱和。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环形艾里光束阵列的形成方法为：在初始空间平面上由艾里光束以旋转角度2π/n绕旋转轴旋转n次，得到环形艾里光束阵列。8.一种自聚焦环形艾里光束阵列的优化设计系统，其特征在于，所述系统包括：电场分布表达式确定模块，用于确定环形艾里光束阵列在初始平面上的电场分布表达式；所述环形艾里光束阵列由艾里光束在初始平面上绕旋转轴旋转多次后所形成；电场解析表达式确定模块，用于根据所述电场分布表达式，确定环形艾里光束阵列在自由空间传输时的电场解析表达式；轴上点电场的简化表达式确定模块，用于根据所述电场解析表达式，确定环形艾里光束阵列在光束传输方向轴上点电场的简化表达式；变化关系曲线绘制模块，用于利用所述轴上点电场的简化表达式，在给定光束参数条件下计算不同艾里光束数目对应的环形艾里光束阵列在自由空间传输时焦平面上的最大光强，并绘制最大光强随艾里光束数目的变化关系曲线；所述最大光强用于表征环形艾里光束阵列的自聚焦能力；最优艾里光束数目确定模块，用于在所述变化关系曲线上选取最大光强首次出现最大值时的艾里光束数目，并确定为在给定光束参数条件下环形艾里光束阵列自聚焦能力饱和时的最优艾里光束数目。9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述变化关系曲线绘制模块，具体包括：焦平面确定子模块，用于利用公式z
f
＝2kw0(w0x
p
)
1/2
确定焦平面的位置；式中，z
f
表示焦平面的位置，x
p
表示环形艾里光束阵列在初始平面x轴正方向上第一个峰值强度的位置，k表示波数，w0为尺度因子；最大光强表达式确定子模块，用于根据焦平面的位置和所述轴上点电场的简化表达式，确定环形艾里光束阵列在自由空间传输时焦平面上的最大光强表达式为i(0，0，z
f
)＝|e(0，0，z
f
)|2；式中，i(0,0,z
f
)表示环形艾里光束阵列在自由空间传输时焦平面上的最大光强，e(0,0,z
f
)表示环形艾里光束阵列在自由空间传输时焦平面轴上点的电场；最大光强计算子模块，用于改变艾里光束数目n，并在给定光束参数条件下将每一个艾
里光束数目代入最大光强表达式，获得每一个艾里光束数目对应的最大光强。10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，最大光强随艾里光束数目的变化关系曲线的规律为：最大光强随着艾里光束数目的增大而增大，直至艾里光束数目增大到最优艾里光束数目时，最大光强达到最大值，此后艾里光束数目从最优艾里光束数目逐渐增大，但最大光强一直为最大值不再变化，环形艾里光束阵列的自聚焦能力达到饱和。

技术总结
本发明涉及一种自聚焦环形艾里光束阵列的优化设计方法及系统，属于光束阵列设计领域，该方法采用最大光强表征环形艾里光束阵列的自聚焦能力，根据环形艾里光束阵列的自聚焦能力与艾里光束数目的关联关系，确定环形艾里光束阵列的自聚焦能力达到饱和时所对应的艾里光束数目为最优值，当艾里光束数目取最优值时，环形艾里光束阵列在给定的光束参数条件下具有最大的自聚焦能力。因此，本发明克服了艾里光束数目的盲目取值，做到艾里光束数目的科学取值，保证环形艾里光束阵列具有最大的自聚焦能力，同时避免了盲目增加光束数目。同时避免了盲目增加光束数目。同时避免了盲目增加光束数目。


技术研发人员：周国泉 臧翔 但汶松 倪涌舟 周益民 徐一清
受保护的技术使用者：浙江农林大学
技术研发日：2022.08.25
技术公布日：2022/11/29