非均匀介质中光子的自旋-轨道相互作用和自旋-自旋相互作用

Light confinement by local index tailoring in inhomogeneous dielectrics

The engineering of light confinement is a topic with a long history in optics and with significant implications for the control of light-matter interaction. In inhomogeneous and disordered media, however, multiple scattering prevents the application of conventional approaches for the design of light fields with desired properties. This is because any local change to such a medium typically affects these fields in a non-local and complicated fashion. Here, we present a theoretical methodology for tailoring an inhomogeneous one-dimensional (1D) Hermitian dielectric index distribution, such that …

具有弱二次非线性项的非平稳非均匀介质中的波动方程

Wave kinetic equation in a nonstationary and inhomogeneous medium with a weak quadratic nonlinearity

我们提出了一个系统的推导波动力学方程描述一个统计非均匀非相干波场在介质中的动力学与弱二次非线性。介质可以是非平稳的和非均匀的。基于Weyl相空间表示，我们的推导假设标准的几何光学排序和拟正规近似的统计封闭。由此产生的波动力学方程同时捕获介质的不均匀性（在时间和空间）和非线性波散射的影响。这种一般形式可以作为一个垫脚石，为未来的研究弱波湍流与平均场的相互作用在非平稳和非均匀介质。

电磁波在各向异性非均匀线性介质上反射和折射的理论分析

Theoretical Analysis of Reflection and Refraction of Electromagnetic Waves on an Anisotropic, Inhomogeneous and Linear Medium

对具有$p$极化和正入射的电波振幅矢量的电磁波在各向异性、非均匀线性介质中的反射和折射进行了理论和计算研究。在这项研究中使用的介质是一个模型的磁化率在秩-2张量的形式，其值取决于频率，位置和时间。然后使用真空和FeF $_2$磁性材料测试透射率和反射率的理论和计算公式。

利用非均匀各向异性介质控制远场自旋相关光分裂

Steering far-field spin-dependent splitting of light by inhomogeneous anisotropic media

具有特定结构几何形状的非均匀各向异性介质可以将可调谐的自旋相关几何相位施加到穿过介质的光，从而可以用于控制光的自旋相关分裂（SDS）。本文用非均匀各向异性介质q板证明了这一推论。证明了线偏振光垂直通过q板时，首先出现k空间SDS，然后在会聚透镜的远场焦平面上可分辨出实空间SDS。有趣的是，SDS，所描述的归一化斯托克斯参数S3显示了多瓣和旋转分裂模式与旋转对称。此外，通过调整q板的结构几何形状和/或光的入射偏振角，波瓣数和旋转角都是可调谐的。我们的研究结果显示q板可以作为一种潜在的操控光子自旋态的装置，并且可以应用在奈米光学和量子信息等领域。

用非欧变换光学限制光波

Confining the light wave by using non-Euclidean transformation optics

利用非欧变换光学给出了一种新的解释非均匀介质为什么可以用来限制光波的方法。我们证明了一种特殊的非均匀介质，它对应于参考空间中的一个倾角，可以用来聚焦平面波。如果我们在这种介质的适当位置设置一个吸收体，我们就可以将光限制在亚波长尺度上。

非均匀加宽自旋1/2原子作为增益介质的坏腔激光器的稳定性分析

Stability analysis for bad cavity lasers using inhomogeneously broadened spin-1/2 atoms as gain medium

坏腔激光器由于其对激光腔波动的增强的鲁棒性而在有源光学频率标准的背景下经历新的兴趣。增益介质将由窄线宽原子组成，它们要么被困在腔内，要么动态地与腔模相交。原子有限速度分布、原子间相互作用、实际多能级原子与辅助场或杂散场的相互作用等一系列效应都会导致原子增益分布的非均匀展宽。这导致激光器操作的不稳定制度的出现，其特征在于场振幅的复杂的时间模式。研究了具有自旋为1/2的原子（如Yb-171）与外磁场相互作用的坏腔激光器的稳态解及其稳定性。对于稳定性分析，我们提出了一种新的和有效的方法，它可以应用于广泛的一类单模坏腔激光器的非均匀加宽的多级原子作为增益介质。

弱各向异性非均匀介质中Stokes矢量的演化

Stokes-vector evolution in a weakly anisotropic inhomogeneous medium

基于几何光学方法的准各向同性近似，导出了弱各向异性光滑非均匀介质中四分量Stokes矢量的演化方程，给出了麦克斯韦方程组的渐近解。我们的方程推广了以前的结果，得到的电磁波在分层介质中的正常传播。它适用于有挠曲线光线，并能描述非均匀介质中简正模的转换。值得注意的是，斯托克斯矢量的演化是由相对论自旋进动的巴格曼-米歇尔-泰莱格迪方程描述的，而三分量斯托克斯矢量的方程类似于铁磁系统自旋进动的朗道-利夫希茨方程。本文应用一般理论分析了磁化等离子体中极化的演化。我们还强调了各向异性非均匀介质中非阿贝尔偏振演化的基本特征，并通过简单的例子加以说明。

线性非均匀磁电介质中宏观电动力学的正则量子化

Canonical quantization of macroscopic electrodynamics in a linear, inhomogeneous magneto-electric medium

我们提出了宏观电动力学的正则量子化。结果适用于非均匀介质与广泛的一类线性磁电响应是一致的Kramers-Kronig和Onsager关系。通过其适应强色散和损耗的能力，我们的理论提供了一个严格的基础，在结构中的量子光学过程的研究纳入超材料，提供这些可以建模为磁电介质。以前的电介质和磁介电介质的规范处理表示的电磁场运营商的格林函数或模式展开表示。在这里，我们提出了我们的结果，在模式扩展的图片，以期在导波和腔量子光学的应用。

非均匀加宽介质中的超弱光

Ultraslow light in inhomogeneously broadened media

计算了非均匀加宽介质中的超慢光特性。我们提出了作为传播脉冲的功率的函数的群延迟的解析和数值结果。我们应用这些结果来解释最近报道的饱和行为[Baldit { \it et al.}，\prl { \bf 95}，143601（2005）]中描述的方法。

扭曲光子在非均匀各向同性色散介质中的辐射几率

Probability of radiation of twisted photons in an inhomogeneous isotropic dispersive medium

导出了带电粒子在非均匀各向同性色散介质中运动时记录到扭曲光子几率的一般公式。对于带电粒子穿过介质板或理想导电箔的辐射，得到了记录扭曲光子几率的显式公式。结果表明，在带电粒子沿探测器轴运动的情况下，所有辐射出的扭曲光子具有零的总角动量投影，其辐射几率与光子螺旋度无关。还考虑了带电粒子螺旋微聚束产生的辐射。证明了辐射扭曲光子的总角动量投影满足强相加定则。因此，螺旋光束允许一个产生相干过渡和瓦维洛夫-切伦科夫辐射与大投影的总角动量。研究了带电粒子在螺旋介质中产生的辐射。这种介质的典型例子是金属螺旋和胆甾相液晶。结果表明，沿这种介质螺旋轴运动的带电粒子的辐射是一个纯的扭曲光子源。

弱各向异性非均匀介质中电磁波的非阿贝尔演化

Non-Abelian evolution of electromagnetic waves in a weakly anisotropic inhomogeneous medium

基于对麦克斯韦方程组的量子力学对角化方法，建立了弱各向异性光滑非均匀介质中电磁波的传播理论。运动方程的平移（射线）和内在的（偏振）自由度的从头开始推导。射线方程考虑了光学马格努斯效应（光子的自旋霍尔效应）以及由于介质各向异性而引起的轨迹变化。偏振演化由斯托克斯矢量的进动方程描述。在一般情况下，波的演变原来是非阿贝尔：它是伴随着相互转换的正常模式和周期振荡的射线轨迹类似于电子zitterbewegung。一般理论适用于圆双折射和线性双折射介质中的波演化的例子。

光镊中矢量光束紧聚焦下双折射粒子的非均匀自旋动量诱导轨道运动

Inhomogeneous spin momentum induced orbital motion of birefringent particles in tight focusing of vector beams in optical tweezers

该研究通过将无内禀角动量的矢量光束紧聚焦于双折射粒子，发现光与粒子相互作用产生的非均匀自旋动量与正则动量结合，诱导出粒子绕光轴的轨道旋转，揭示了光镊中自旋轨道相互作用的独特调制新机制。

非均匀各向异性介质中的光学自旋-轨道angular momentum转换

Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous anisotropic media

实验证明了圆偏振光所携带的自旋角动量被转换成轨道角动量的光学过程，从而产生了波前螺旋度受输入偏振控制的螺旋模。这种现象需要光与光学不均匀和各向异性的物质相互作用。基本的物理学也与所谓的Pancharatnam-Berry几何相位有关，这些相位涉及光学偏振的任何非均匀变换。

基于Riemann-Silberstein-Weber矢量的线性非均匀介质中麦克斯韦方程组的新矩阵表示

A new matrix representation of the Maxwell equations based on the Riemann-Silberstein-Weber vector for a linear inhomogeneous medium

本文基于泡利矩阵代数推导出麦克斯韦方程组的新八维矩阵表示，适用于线性均匀及非均匀介质，并重新推导了Mukunda-Simon-Sudarshan矩阵替换规则。

Probing inhomogeneous and dual asymmetric angular momentum exploiting spin-orbit interaction in tightly focused vector beams in optical tweezers

The spin-orbit interaction (SOI) of light generated by tight focusing in optical tweezers has been regularly employed in generating angular momentum - both spin and orbital - in trapped mesoscopic particles. Specifically, the transverse spin angular momentum (TSAM), which arises due to the longitudinal component of the electromagnetic field generated by tight focusing, is of special interest, both in terms of fundamental studies and associated applications. We provide an effective and optimal strategy for generating TSAM in optical tweezers by tightly focusing radially and azimuthally polarize…

高斯光束在三维光滑非均匀介质中的衍射：基于程函的复几何光学方法

Diffraction of Gaussian beam in a 3D smoothly inhomogeneous media: eikonal-based complex geometrical optics approach

本文利用傍轴复几何光学（CGO）的从头算方法，研究了标量高斯光束在三维光滑非均匀介质中的传输和衍射。傍轴CGO处理复程函的二次展开，并将波动问题归结为Riccati型常微分方程的解。与全波或抛物线（准光学）方程相比，这大大简化了高斯光束衍射的描述。对于高斯光束在均匀介质中或沿对称轴在类透镜介质中传输，CGO方程具有解析解，否则可以很容易地数值求解。作为一个非平凡的例子，我们考虑高斯光束沿螺旋射线在轴对称波导介质中的传播和衍射。结果表明，长轴的光束的椭圆形横截面无限增长，它主要是在方位角（副法线）方向取向，不服从平行输运定律。

基于Maxwell-薛定谔方程的哈密顿量分析矢量涡旋态的Pancharatnam-Berry相位

Analysis of the Pancharatnam-Berry phase of vector vortex states using the Hamiltonian based on the Maxwell-Schrödinger equation

从非均匀各向异性介质的Maxwell-薛定谔方程得到的“真”哈密顿量出发，导出了矢量涡旋态的Berry联系，并在实验上实现了相应的Pancharatnam-Berry（PB）几何相位的测量. VVS的PB相（PBP）可分为均相和非均相。均匀和非均匀的偏振带隙分别与传统的偏振带隙和由IA介质（如偏振转换器）给出的空间相关的几何相位有关。我们从理论上探测到非均匀PBP积累源于混合阶庞加莱球的规范依赖性，这为理解光学自旋-轨道角动量转换提供了另一种方法。首次明确观察到的均匀PBP对量子态操纵和信息处理具有重要意义。

旋光材料中的自旋轨道相互作用

Spin-orbit interactions in optically active materials

研究了主轴局部非均匀旋转的各向异性介质中光偏振对光强分布的影响。而在一般情况下，这样的配置意味着一个复杂的几何和动态相位之间的相互作用，我们表明，在一个介质中显示出非均匀的圆双折射，几何相位消失。由于自旋-轨道相互作用，两个圆极化感知到相反的动态相位空间分布。基于这种效应，提出了偏振选择透镜、波导和光束偏转器。

谱线非均匀展宽维持的宽带准PT对称性

Broadband quasi-PT Symmetry Sustained by Inhomogeneous Broadening of the Spectral Line

结果表明，在有限的场频率范围内，活性杂质谱线的非均匀展宽可以同时维持介质的宇称（P）和时间（T）对称性，而这在没有展宽的介质中是被因果原理所禁止的。如果传播脉冲的光谱宽度小于非均匀加宽，则这种脉冲的介质变为准PT对称。在有限频域中的宽带准PT对称性的效果，说明在布拉格和劳厄几何形状的脉冲的单向衍射的例子，在光子晶体中传播。

具有平面对称性的非均匀介质对 TE 和 TM 波的低频散射

Low-Frequency Scattering of TE and TM Waves by an Inhomogeneous Medium with Planar Symmetry

本文基于 Bergmann 方程与非厄米二能级动力学表述，建立平面非均匀介质中 TE/TM 波的低频传递矩阵及反射、透射理论，并给出透明、无反射条件。

光滑非均匀各向同性介质的修正几何光学：各向异性、Berry相位和光学Magnus效应

Modified geometrical optics of a smoothly inhomogeneous isotropic medium: the anisotropy, Berry phase, and the optical Magnus effect

在本文中，我们提出了一个修改的几何光学方法，它允许一个适当的分离的复振幅和相位的波的解决方案。将此修正应用于光滑非均匀各向同性介质，我们证明了在第一几何光学近似下介质是弱各向异性的。折射率取决于波矢的方向，包含与Berry几何相位成比例的校正。介质中存在两个独立的右旋和左旋圆偏振本征模。它们的群速度和相速度不同。群速度的差异导致不同偏振的光线的偏移（光学马格努斯效应）。相速度的差异导致Berry相位随着两个模式的干涉而增加，从而导致关于波的偏振面旋转的熟悉的Rytov定律。该理论表明，光学马格努斯效应和Berry相位都伴随着非局域拓扑效应。本文导出了统一描述这两种现象的Hamilton射线方程，并预言了非圆偏振的一种新的分裂效应。还讨论了具体的例子。

非均匀介质中反射波的产生

Generation of a reflected wave in an inhomogeneous medium

本文采用广义WKB方法将非均匀介质中的电场分解为两个传播分量，发现所谓左行分量实为递增相位的反射波，可为介质加速波导设计及半经典粒子过势垒反射定位提供依据。

二维自旋轨道亚纠缠子空间中一个贝尔不等式的破坏

Violation of a Bell inequality in two-dimensional spin-orbit hypoentangled subspaces

基于q片诱导的自旋轨道耦合，我们提出了一个可行的制备二维空间非均匀偏振光的实验方案。我们进一步研究了自发参量下转换产生的光子对的非均匀偏振之间的量子关联，这在本质上描述了光子的复合自旋轨道变量之间建立的所谓亚纠缠。在S=2 \sqrt 2的情况下，预言了Clauser-Horne-Shimony-Holt-贝尔不等式的破坏，以说明空间非均匀极化的圆柱对称性的纠缠性质.

光在非均匀介质中的自旋霍尔效应的数学描述

A mathematical description of the spin Hall effect of light in inhomogeneous media

研究Maxwell方程在各向同性非均匀介质中的高斯波包解，推导描述几何运动修正的常微分方程组，证明光在非均匀介质中的自旋霍尔效应。

光子的拓扑自旋输运：麦克斯韦方程组中的“磁”规范场和周期非均匀介质中光线的偏振分裂

Topological spin transport of photons: "magnetic monopole" gauge field in Maxwell equations and polarization splitting of rays in periodically inhomogeneous media

研究了电磁波（光子）在平稳光滑非均匀各向同性介质中的拓扑自旋输运。通过对角化麦克斯韦方程组中的光子动能，导出了动量空间中的非阿贝尔纯规范势，它在横波的绝热近似下表现为对应于磁引力型场的两个阿贝尔U（1）势。这些场作用于圆偏振波，导致光子的拓扑自旋输运。我们推导出一般的半经典（几何光学）射线方程，考虑到洛伦兹型力的磁类规范场。详细分析了三维介质中二维周期性不均匀性的射线问题。它示出，最初位于不均匀性平面中的射线经历拓扑偏转或分裂，将它们从该平面中移出。研究了光线偏转与介质参数和传播方向的关系。

非均匀线性电介质中的电磁能、动量和Angular Momentum

Electromagnetic Energy, Momentum, and Angular Momentum in an Inhomogeneous Linear Dielectric

在先前的工作中，Optics Communications 284（2011）2460- 2465，我们考虑了具有抗反射涂层和由准单色场在法向入射下照射的空间均匀折射率的电介质。利用电磁能量密度和Gordon动量密度的连续性方程，构造了封闭系统的无痕对称能量-动量张量。在这项工作中，我们放宽了条件的均匀折射率，并考虑一个电介质的空间变化的折射率是独立的时间，这基本上是一个机械刚性的电介质由于外部约束。利用能量密度和Gordon动量密度的连续性方程，我们构造了一个对称的能量-动量矩阵，它的四维发散度等于广义Helmholtz力密度四维矢量。假设能量-动量矩阵在时空坐标变换的对称群下具有张量变换性质，我们导出了总能量、动量和角动量的全局守恒律。

光在非均匀介质中的传播、耦合量子谐振子和相变

Light propagation in inhomogeneous media, coupled quantum harmonic oscillators and phase transitions

这一贡献有两个主要目的。首先，我们展示了如何使用经典光学模型的两个耦合的量子谐振子和两个相互作用的量子场。其次，我们使用量子力学技术来解决，确切地说，光通过一个特定类型的渐变折射率介质的传播。同时，我们证明了系统存在相变。