Electron acceleration driven by ultrashort and nonparaxial radially polarized laser pulses
利用麦克斯韦方程组的精确闭合解，研究了超短非傍轴径向偏振激光脉冲驱动下真空中电子的加速问题。我们表明，阈值功率以上，显着的加速发生大大降低，通过使用更紧密的重点。此外，由紧密聚焦的单周期激光脉冲加速的电子可以达到理论能量增益极限的80%左右，大约是以前报道的几个周期的傍轴脉冲的两倍。我们的研究结果表明，电子在真空中的直接加速是目前激光技术所能达到的。
2012-04-25 physics.acc-ph physics.optics
Ripple formation on silver after irradiation with radially polarized ultrashort-pulsed lasers
本文报道了在亚烧蚀条件下，圆柱偏振飞秒激光照射银（Ag）引起的不均匀吸收所引起的形貌效应。对表面等离子体激元激发在自生周期性波纹结构产生中的作用的理论预测进行了评估。此外，结合流体动力学和热弹性模型来考虑与温度相关的晶格运动的影响，在激光束的条件下，足以产生材料熔化。通过调制光束偏振来控制形态变化的大小的能力旨在提供用于控制和优化激光微加工的结果的系统方法。
2017-04-10 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Maxwell-consistent, symmetry- and energy-preserving solutions for ultrashort laser pulse propagation beyond the paraxial approximation
本文对超短紧聚焦激光脉冲在真空中的传输进行了解析和数值研究，重点研究了厄米-高斯和拉盖尔-高斯模式。我们重新Lax系列的方法向前传播的线偏振激光脉冲，为了获得麦克斯韦一致的和保序的解析解的所有场分量的传播超出了四维几何（空间和时间）的傍轴近似。我们证明，我们的解决方案保存的能量，这是由系列的傍轴水平项。在傅里叶空间中计算我们的级数收敛的波动方程的完全解。超短紧聚焦脉冲的三维数值模拟验证了我们的分析发展。
2018-08-31 physics.optics
Scattered field formalism in the particle-in-cell method for plasma acceleration in tightly focused ultrashort laser beams
该研究将散射场形式体系与粒子网格方法结合，通过理论和收敛分析验证其有效性，并应用于紧聚焦激光束在欠临界等离子体中的电子加速模拟，为超高强度下优化相对论电子束提供了有前景的方法。
2023-10-17 physics.comp-ph physics.optics physics.plasm-ph
Beam Distortion Effects upon focusing an ultrashort Petawatt Laser Pulse to greater than 10$^{22}$ W/cm$^{2}$
当超短激光脉冲被紧紧聚焦到接近其中心波长的尺寸时，聚焦光斑的性质偏离衍射极限的情况。在这里，我们报告的F/1离轴抛物面（OAP）的紧聚焦拍瓦级激光束的行为的这种变化。考虑到残余像差、近场空间分布和指向误差的影响，我们估计了聚焦光斑峰值强度与理想情况的偏差。我们验证了估计的峰强度值在测量值的可接受误差范围内。随着目标对准中的增加的不确定性，我们扩展估计以推断在该F/1 OAP的焦平面处的目标的$\geq$ 10 $^{22}$ W/cm $^{2}$的靶上峰值强度。
2019-03-08 physics.optics
Diffraction of Ultrashort Pulse on a Nanoscale Conductive Cone
表面等离子体激元是金属-电介质界面上自由电子的集体振荡。作为一种波动现象，表面等离子体激元可以使用适当的金属结构的激发几何聚焦。从理论上论证了利用锥形金属针尖产生的径向极化表面等离子体激元模式控制纳米尺度短脉冲超聚焦的可能性。对飞秒脉冲沿银纳米针的传输进行了数值模拟。近场的空间分布强烈依赖于激光脉冲的线性啁啾，线性啁啾可以部分补偿波的色散。计算了不同啁啾值、张角和距离下的场分布。对于具有负啁啾的脉冲，脉冲持续时间随着放大~40而变短。
2015-10-21 physics.optics
Ambient air plasma acceleration in tightly-focused ultrashort infrared laser beams
INRS-EMT（国家研究大学电子学研究所）；Infinite Potential Laboratories（无限潜能实验室）
研究通过PIC模拟探讨了在环境空气中紧密聚焦超短红外激光束中利用相对论性ponderomotive力加速电子的机制，并验证了在2.5μm波长时电子动能可达1.6MeV。
2024-08-16 physics.comp-ph physics.optics physics.plasm-ph
Spatio-temporal characterization of ultrashort vector pulses
本文提出结合空间分辨傅里叶变换光谱与Mach-Zehnder干涉测量的新方法，用于超短柱对称矢量脉冲的时空表征，并成功完整表征了800 nm钛宝石激光器输出的10 fs径向偏振脉冲。
2021-01-27 physics.optics
Modeling the focusing of a radially-polarized laser beam with an initially flat-top intensity profile
针对矢量光束传播建模常限于最低阶基模的问题，提出利用高阶光束求和解析建模初始平顶径向偏振光束的方法，并验证了其特性与数值积分的一致性。
2024-04-22 physics.optics
Relativistic electrons from vacuum laser acceleration using tightly focused radially polarized beams
研究通过紧聚焦径向偏振光束至低密度气体实现真空激光加速，仅用98 GW功率产生1.43 MeV相对论电子束，揭示高原子序数气体电离动力学对电子注入与加速效率的关键作用。
2024-02-12 physics.acc-ph physics.atom-ph physics.optics
Space-time non-separable dynamics of ultrashort vortex pulse with power exponential spectrum
本研究数值探索了具有幂指数谱的超短拉盖尔-高斯涡旋脉冲在色散和非线性介质中的时空不可分离演化，揭示了非对称时空分裂、后沿压缩及非线性依赖的光谱红移/蓝移等复杂动力学特征。
2025-02-27 physics.optics
Four-channel prototype using coherent combining of ultrashort laser pulses for dipole configuration approximation
Federal Research Center A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院应用物理研究所A.V. 加波诺夫-格列霍夫联邦研究中心）；The Institute for Physics of Microstructures of the Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院微结构物理研究所）
提出一种四通道原型系统，通过几何合成和相干叠加将紧聚焦飞秒激光辐射形成驻波场，实现光束指向和相对相位稳定，并用光纤亚波长探针测量主焦点场分布，支持XCELS项目。
2026-07-03 physics.optics
Probing inhomogeneous and dual asymmetric angular momentum exploiting spin-orbit interaction in tightly focused vector beams in optical tweezers
在光镊中通过紧聚焦产生的光的自旋-轨道相互作用（SOI）已经被常规地用于在被捕获的介观粒子中产生角动量-自旋和轨道。具体而言，横向自旋角动量（TSAM），这是由于产生的电磁场的纵向分量的紧聚焦，是特别感兴趣的，无论是在基础研究和相关的应用。我们提供了一个有效的和最佳的策略，产生TSAM的光镊紧聚焦径向和方位角偏振的一阶拉盖尔高斯光束没有固有角动量，到折射率分层介质。我们选择这样的输入字段，确保所产生的纵向自旋角动量（LSAM）的电（磁）场的径向（方位角）的组件是零，这导致单独的和排他性的影响的电和磁TSAM的情况下，输入径向和方位角偏振光束上的单个双折射粒子。我们还观察到起源相关的固有轨道角动量的出现，导致双折射粒子围绕两种输入光束类型的光束轴旋转，这为光镊中的奇异和复杂的粒子操纵开辟了新的和简单的途径。
2023-02-28 physics.optics
Underwater acoustic wave generation by filamentation of terawatt ultrashort laser pulses
对超短TW激光脉冲在水中激发产生的声信号进行了实验研究。测量结果表明，输入脉冲的持续时间上的声波的形状和强度的强烈影响。对激光脉冲在水中的非线性传播以及随后的水动力学和声波产生过程的数值模拟表明，强声发射与水中的超丝机制有关。其中沉积能量的等离子体体积的细长形状驱动声信号的远场分布，其采取具有单次振荡和非常宽的频谱的径向指向的压力波的形式。
2016-03-16 physics.flu-dyn physics.optics
On the importance of frequency-dependent beam parameters for vacuum acceleration with few-cycle radially-polarized laser beams
紧聚焦的超短径向偏振激光束具有很大的纵向场，这为真空中粒子的直接加速和操纵提供了强大的动力。这些光束的宽带性质意味着传播和聚焦的色彩特性是重要的考虑因素。我们通过单粒子模拟表明，使用正确的频率相关的光束参数是必要的，特别是当脉冲持续时间减少到几个周期的制度。不同的空间-光谱振幅分布的结果表明，根据形状的最终加速电子能量的急剧增加或减少，激励适当的表征和潜在的优化路线。
2019-12-09 physics.acc-ph physics.optics
Influence of longitudinal chromatism on vacuum acceleration by intense radially polarized laser beams
我们报告与单粒子模拟的纵向色差，一种常见的时空耦合在超短激光脉冲，可以有一个显着的影响，通过高功率，紧聚焦径向偏振激光束的电子的纵向加速。这种效果可能是有利的，并且当与小的时间啁啾值组合时甚至更有利。然而，当纵向色差的幅度和符号不理想时，即使在非常小的幅度下，该效果也可以是高度破坏性的。这激发了驱动激光脉冲的表征和理解，并进一步研究类似的低阶时空耦合对这种加速的影响。
2019-06-17 physics.acc-ph physics.optics
Reflective Metastructure Q-plate for Ultrashort Laser Pulses
RPTU University Kaiserslautern-Landau（凯泽斯劳滕-兰道理工大学）；University of Augsburg（奥格斯堡大学）
提出基于等离子体超表面的高反射Q板，将轨道角动量从纳米结构转换到超短激光脉冲，无时间展宽，适用于宽波长范围。
2026-11-06 cond-mat.mes-hall physics.optics
Corrected knife-edge-based reconstruction of tightly focused higher order beams
刀口法是一种已建立的技术，用于对均匀紧密聚焦的光束进行轮廓分析。然而，如果没有仔细选择刀刃的材料和几何形状，或者特别是如果使用由纯材料制成的刀刃，则该方法的直接实施失败。在这些情况下，由于研究中的光束与刀的相互作用，在重建的光束轮廓的形状和位置中引入伪影。因此，需要对标准刀口评价方法进行修正。本文研究了高聚焦径向和方位偏振光束及其线偏振分量的刀口法。我们介绍了这些成分的相对位移和报告的一致性与情况下的线性偏振高斯光束。一个适应的刀口重建技术，并证明了概念的测试表明重建的光束轮廓。
2016-10-27 physics.optics
Towards optical toroidal wavepacket through tightly focusing of cylindrical vector two dimensional spatiotemporal optical vortex
携带横向轨道角动量（OAM）的时空光学涡旋（STOVs）由于其新的自由度而受到光学领域的广泛关注。本文首次提出了在x-t和y-t平面上包含两个正交横截面OAM的柱矢量二维STOVs（2D-STOVs），并利用Richards-Wolf矢量衍射理论研究了这种光场的紧聚焦特性。产生了偏振结构类似于环面拓扑的高度受限时空波包，其时空强度分布类似于悠悠球的形状。高度聚焦的径向极化2D-STOV将产生朝向横向磁环形拓扑的波包，而聚焦的方位极化2D-STOV将产生朝向横向电环形拓扑的波包。该方法为在实验上可控地产生光学环形波包奠定了基础，在电子加速、光子学、能源、瞬态光-物质相互作用、光谱学、量子信息处理等方面具有潜在的应用价值。
2022-02-23 physics.optics
Optimization of vacuum acceleration with radially polarized laser beams having phase aberrations
Université libre de Bruxelles (ULB)（布鲁塞尔自由大学）
研究径向偏振激光束中的球差如何优化真空电子加速，通过随机算法找到最佳像差分布，延长可用脉冲长度。
2026-06-17 physics.acc-ph physics.optics
Electron round lenses with negative spherical aberration by a tightly focused cylindrically polarized light beam
在光学驻波场中运动的自由电子感受到有质动力势，在电子光学中充当折射率介质。涉及这种潜力的新兴技术已经在电子显微镜中被提出和实现，例如在光学增强腔中使用激光驻波的电子相衬成像。然而，电子与圆柱形分布光场之间的相互作用还没有被研究过，尽管它适用于电子光学成像系统。在这项研究中，我们从理论上证明了发散力和会聚力是由紧密聚焦的圆柱形偏振光光束提供的。利用高数值孔径光学透镜对环形截面的径向和方位偏振光束进行聚焦。聚焦函数处的光强分布分别为凹电子圆透镜和凸电子圆透镜。与由电极和磁线圈产生的传统电子圆透镜相比，由方位角偏振束形成的凸透镜具有负（相反符号）球面像差。这一显著的成果将有助于电子光学成像系统的创新设计，并为物质波光学带来新的能力。
2021-06-04 physics.optics
Ultra-Short flying-focus
Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA), CNRS, Ecole polytechnique, ENSTA, Institut Polytechnique de Paris（应用光学实验室（LOA），法国国家科学研究中心，巴黎综合理工学院，ENSTA巴黎国立高等先进技术学院，巴黎理工学院）
本文提出通过径向依赖的频谱啁啾补偿色散时间不匹配，实现超短脉冲在扩展焦区内的飞行焦点速度控制，拓展了 achromatic flying-focus 技术在激光-等离子体相互作用和高场非线性光学中的应用。
2026-03-25 physics.optics physics.plasm-ph
Ponderomotive Achromat for Electron Optics: Radially Polarized Annular Focusing and a Round-Lens Corrector Regime
Sensing Technology Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology（产业技术综合研究所传感技术研究机构）；Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University（东北大学先进材料学综合研究机构）
本文提出了一种基于径向极化环形束的ponderomotive非色散电子光学系统，通过产生双联体结构实现负透镜功率和负球面像差，为紧凑型圆形透镜校正提供了新方法。
2026-08-28 physics.optics
Generation of directed electron beams by tight focusing of an ultrashort IR laser in a near-critical plasma
INRS-EMT（国家研究研究所电磁技术研究所）；Infinite Potential Laboratories（无限潜能实验室）
通过在近临界等离子体中紧聚焦超短红外激光产生定向电子束，利用线极化和环极化脉冲更高效加速电子，并在低密度空气中实现多MeV电子束。
2025-09-25 physics.optics physics.plasm-ph
Spatially resolved spin angular momentum mediated by spin-orbit interaction in tightly focused spinless vector beams in optical tweezers
研究通过紧聚焦零内禀角动量的ARP矢量光束到分层介质，在光镊中生成空间分辨的纵向自旋角动量，实现了基于粒子位置和大小的反向旋转操控，为自旋-轨道光力学和复杂粒子操控提供了新途径。
2024-09-26 physics.optics
On-chip transfer of ultrashort graphene plasmon wavepackets using terahertz electronics
本文提出通过欧姆接触注入电脉冲在片上电学产生、操控和读出太赫兹石墨烯等离激元波包，实现1.2 ps脉宽、极端三维空间束缚及约30%转换效率，为范德瓦尔斯异质结构中的片上等离激元信号处理提供新平台。
2025-06-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Bridging the gap between ultrafast optics and resonant photonics via omni-resonance
本文提出“全共振”方法，通过引入角色散使超快脉冲整个带宽耦合到单个腔共振，实现腔内峰值强度提升，为非线性光学效应的宽带共振增强铺平道路。
2025-10-13 physics.optics
A finite-difference model for intense light interactions with dielectrics in the ultrafast ionization regime
Max Born Institute（马克斯·玻恩研究所）
本文提出一种高效模型，研究强激光脉冲与透明材料在强电离 regime 中的相互作用，通过自洽描述电离和碰撞等离子体动力学，解决麦克斯韦方程并研究超快形成过临界纳米等离子体。
2026-03-19 physics.optics physics.plasm-ph
Extreme energy density confined inside a transparent crystal: Solid - plasma - solid transformations, status and perspectives
在过去的十年中，已经证明超短强激光脉冲紧密地聚焦在透明电介质内部深处产生超过几个MJ/cm 3的能量密度。这种具有极高加热和淬火速率的能量集中导致不寻常的固体-等离子体-固体转化路径，克服了形成先前未知的高压材料相的动力学障碍，这些高压材料相保存在周围的原始晶体中。这些结果是在空间和时间上具有高斯形状的脉冲下得到的。最近表明，贝塞尔形脉冲可以转化更大量的材料，并且据称产生比高斯（GB）脉冲实现的更高的能量密度。在这里，我们提出了一个简洁的回顾以前的结果，并讨论了可能的路线，实现更高的能量密度采用贝塞尔光束（BB），并利用其独特的属性。
2018-03-01 cond-mat.other physics.optics physics.plasm-ph
Light in Slices: How to Enable Precise Laser Processing?
Friedrich Schiller University Jena（耶拿弗里德里希·席勒大学）；Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF（弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所IOF）；Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)（联邦材料研究与测试研究院(BAM)）；FZU - Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences（捷克科学院物理研究所(FZU)）
本文探讨了如何利用飞秒激光脉冲实现高精度材料加工，分析了其高峰值强度和短持续时间带来的优势，并探讨了材料加工中的限制因素及解决方案。
2026-11-10 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
MeV femtosecond electron pulses from direct-field acceleration in low density atomic gases
使用三维粒子模拟，我们表明，几兆电子可以产生紧密聚焦的几个周期的径向偏振激光脉冲在低密度的原子气体。特别是，它被观察到，对于几个TW激光功率需要达到相对论电子能量，纵向阿秒微聚束自然发生，导致飞秒结构与高对比度阿秒密度调制。三维粒子模拟表明，在相对论制度的领先脉冲，这些阿秒子结构的生存传播超过扩展的距离，这表明它可以被传递到一个遥远的目标，与适当设计的传输光束线的帮助。
2015-10-26 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.optics
Trapped atoms in spatially-structured vector light fields
本文提出基于相互作用哈密顿量球张量分解的通用框架，计算任意空间结构和偏振光场的原子跃迁矩阵元，揭示紧聚焦光束在衍射极限附近的纵向场对选择定则的影响，为量子光学等领域的实验设计提供理论基础。
2024-01-11 physics.optics quant-ph
Energy limit for linear-to-nonlinear femtosecond laser pulse focusing in air
紧聚焦的高功率超短激光脉冲在光学介质中的传播通常受到介质光学非线性的显著影响，介质光学非线性可以显著地影响非线性焦点周围的激光脉冲参数，并且导致焦腰的不可避免的并且通常不期望的空间失真。本文介绍了飞秒钛宝石激光脉冲在不同空间聚焦下在空气中传输的实验研究和数值模拟结果。我们集中研究了脉冲发生偏转时，从线性到非线性的不同聚焦状态下的光谱-角变换和空间变换。对于第一次，我们发现的激光脉冲数值孔径范围，即，从NA=0.002至0.005（激光脉冲能量为1 mJ），其中激光脉冲的频率-角谱和脉冲空间形状的失真是最小的。通过数值模拟，得到了在较宽的聚焦条件范围内，激光脉冲在空气中发生线性聚焦和强非线性聚焦的阈值能量和峰值功率。这种能量极限被证明是减少与脉冲数值孔径增强。我们的研究结果确定了激光脉冲的数值孔径和能量足以获得最大的激光强度与良好的光束质量周围的焦点适合于各种激光微图案化和微加工技术。
2021-04-05 physics.ao-ph physics.optics
Chiral Vector Beams for Topological Enantio-Sensitive Imaging
Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)（马德里材料科学研究所）；Imperial College London（帝国理工学院）；Max-Born-Institut（马克斯·玻恩研究所）；New York University（纽约大学）；Freie Universität Berlin（柏林自由大学）；Technische Universität Berlin（柏林工业大学）；Technion - Israeli Institute of Technology（以色列理工学院）
该研究提出将基频径向偏振光束与2ω方位角偏振光束结合产生手性矢量光束，利用其非线性响应实现小型有机分子的高效对映敏感成像，为全光学手性识别提供新方法。
2026-10-14 physics.app-ph physics.optics
