Generation of Spatiotemporal Vortex Pulses by Simple Diffractive Grating
本文提出仅用简单衍射光栅，在频率-动量空间借助对称性、共振与衍射构建相位涡旋，从而产生时空涡旋脉冲，并在液体表面波平台上实时观测其生成与演化。
2023-09-29 physics.class-ph physics.optics
Design principles of apodized grating couplers
为了优化光栅耦合器的耦合效率，我们扩展了一个分析模型的设计切趾光栅耦合器，考虑到上，下边界的散射强度的制造技术所确定的约束。我们证明，我们的模型给出了全球最佳分布的散射强度与存在这样的约束。我们将我们的模型应用于从硅芯片到单模光纤的耦合的标准问题，以及更复杂的问题，包括耦合到涡旋光束，和聚焦光栅的设计。在耦合到涡束的问题中，我们用全波数值模拟验证了我们的模型。对于这个问题，我们的设计获得的效率是显着高于现有的设计。我们的理论研究提供了一个坚实的基础，切趾光栅耦合器的设计在不同的材料平台，我们的确定性算法可以作为一个接近最佳的起点，先进的优化。
2020-02-14 physics.optics
Reconfigurable vortex beam generator based on the Fourier transformation principle
提出了一种在光子芯片上产生不同轨道角动量阶数任意叠加涡旋光束的方法。提出了一种利用傅里叶变换原理，通过控制片上入射光的幅值和相位，实现对不同OAM器件的调制的分布式傅里叶全息光栅，将波导中传播的光波转换为自由空间中的涡旋光束。作为一个例子，我们研究了一个典型的器件组成的九个傅里叶全息光栅的扇形波导。通过标量衍射计算，可重构涡旋光束发生器输出光束的OAM可以通过调节输入光场的相位在-2到2阶范围内按需控制，数值计算表明，所产生的涡旋光束保真度在0.69以上。傅里叶全息光栅的工作带宽约为80 nm，保真度大于0.6。我们的工作提供了一种可行的方法来操纵涡旋光束或检测任意叠加的OAM，它可以用于集成光子结构的光学捕获，信号处理和成像。
2018-04-10 physics.optics
Fresnel and Fraunhofer diffraction of a laser Gaussian beam by fork-shaped gratings
推导了高斯光束经菲涅耳衍射后，从束腰外入射到电荷为任意整数p的叉形光栅上的涡旋光束和经叉形光栅夫琅禾费衍射后的涡旋光斑的表达式。定义了光栅的通用透射函数，并将其专门用于振幅全息图、二元振幅光栅及其相位版本的情况。光学涡旋光束，或带有电荷mp和-mp的相位奇异性载体，是较高的负和正衍射级光束。其振幅的径向部分可用mp阶Gauss-doughnut函数与一个Kummer函数的乘积或一阶Gauss-doughnut函数与两个阶数与奇异电荷值不匹配的修正Bessel函数的差来描述。本文讨论了会聚透镜焦平面内近场和远场的振幅和光强分布，以及当光栅电荷p=0，即光栅由分叉变为直线时，结果的特殊性。文中还讨论了涡半径的解析表达式。
2008-06-26 physics.class-ph physics.optics
Fast fabrication of optical vortex generators by femtosecond laser ablation
利用飞秒激光烧蚀玻璃上的金膜，实现了基于q板设计的涡旋光束微光学元件的快速制备。使用电流计扫描仪以5 mm/s的写入速度在约1分钟内制备直径约0.5mm的Q板。光栅的周期为0.8微米，槽宽为250 nm，实现了使用飞秒激光烧蚀在343 nm波长。在633 nm波长下对光学涡旋发生器进行了相位和强度分析，证实了设计的性能。通过烧蚀50 nm厚的金膜制成的q板的自旋-轨道转换效率约为3%。这种光栅可以承受高达800 ℃的热退火。它们可以用作使用偏振后选择的光学涡旋发生器。
2018-12-26 physics.optics
Radially and azimuthally pure vortex beams from phase-amplitude metasurfaces
为了利用拉盖尔-高斯基充分利用光的横向空间结构，必须控制光子的方位角和径向分量。涡旋相位元件通常用于产生这些光模式，提供对方位角指数的精确控制，但忽略定义其相关联的对应横向轮廓的径向依赖振幅项。在这里，我们实验证明了产生高纯度拉盖尔-高斯光束与一个单一的步骤轴上的转换实现与介质相位振幅超颖表面。通过对输入光束进行矢量结构化并将其投影到正交偏振基上，我们可以在相位和振幅上雕刻任何涡旋光束。我们表征所产生的涡旋光束的方位角和径向纯度，达到98%的纯度与$\ell=50$和$p=0$的涡旋光束。此外，我们比较表明，所产生的涡旋光束的纯度优于与其他成熟的纯相位超颖表面的方法产生的。此外，我们强调了方位角光栅中“鬼”轨道角动量阶的形成（类似于直纹光栅中的鬼阶），迄今为止尚未得到广泛研究。我们的工作带来了更高阶的涡旋光束和它们的无限潜力，使其得到广泛的应用。
2022-05-31 physics.optics
3D laser printing by ultra-short laser pulses for micro-optical applications: towards telecom wavelengths
提出了使用飞秒（fs-）激光振荡器在100微米足迹区域上三维（3D）快速（< 0.5小时）打印低至亚波长分辨率的微光学元件。利用低于1 nJ的脉冲能量，在SZ 2080抗蚀剂上制作了由具有方位角变化取向的聚合光栅段制成的光学涡旋发生器，聚合棒的宽度为~150 nm，周期为0.6-1微米。用Berek补偿器（在白光照明下）手动进行详细的相位延迟分析，并使用等效原理通过在546 nm处的自动化Abrio实现。由于光栅的周期与可见光的波长相当（或更大），因此需要对延迟进行直接的实验测量。通过金溅射，透射型光学涡旋发生器变成具有增强延迟的反射型光学涡旋发生器，n. h由形式双折射n和高度h = 2d定义，其中d是聚合结构的厚度。用Berek补偿器在可见光波长下测量，延迟达到315 nm。基于所提出的方法，可以实现高纯涡旋发生器所需的180度（或半波长）的双折射相位延迟。具有方位定向光栅的亚波长图案的电信波长的光学涡旋发生器可通过直接激光聚合来处理。
2017-07-28 physics.optics
High-angle diffraction of a Gaussian beam by the grating with embedded phase singularity
对高斯光束经沟槽分叉光栅衍射产生的涡旋光束的空间特性进行了理论和数值分析。与以前的工作相比，不再需要小角衍射条件，衍射光束可以强烈变形。这导致强度轮廓旋转和高阶OV分解成一组次级单电荷OV。定量地研究了这些效应，并与拉盖尔-高斯光束经过柱面伸缩变换后的类似特性进行了比较。与后一种情况相反，次级OV不在射束截面内的单个直线上，并且由相同射束承载的各个次级OV的形态参数通常是不同的。规定了次级OV相对于束横向尺寸的最大相对分离的条件。所得结果可用于实际产生具有预定特性的OV光束和OV阵列。
2009-07-15 physics.optics
Orbital Angular Momentum Transfer and Beam-Quality Limits in Fork-Grating Electron Diffraction
School of Physics and Engineering, ITMO University（ITMO大学物理与工程学院）
该研究分析叉形光栅产生电子涡旋束的OAM转移与光束质量极限，推导衍射级次OAM统计量，明确Hartree自场对传播轮廓的影响，为电子涡旋束的相关应用提供理论支撑。
2026-10-14 physics.optics quant-ph
Continuously Shaping Orbital Angular Momentum with an Analog Optical Vortex Transmitter
光的动态产生使微粒子的复杂操纵、高维量子纠缠和光通信成为可能。我们报道了一种由一个双向对称光栅和一个光阑组成的模拟涡旋发射器，它能发射出平均OAM值在整个有理范围内连续变化的光涡旋。该衍射发射器利用沿对称轴线性变化的横向位错，在实现宽带光涡旋的同时，保持了具有等间距奇点的新型纺锤形相位，具有额外的自由度。它通过包含更多的奇点，无限地增加了光的平均OAM，这与拉盖尔-高斯（LG）和贝塞尔涡旋光束有显著不同。在单个器件中实现OAM的模拟生成，该技术可以潜在地扩展到其他频率，并应用于量子物理、非周期光子学和光学操纵的广泛发展。
2015-04-08 physics.optics
Attosecond vortex pulse trains
本文利用偏振倾角叉形光栅驱动高次谐波产生，首次实现了具有螺旋波前的阿秒涡旋脉冲串，为阿秒分辨的轨道角动量光与物质相互作用研究开辟了新途径。
2024-02-23 physics.optics
Generation of ultra-intense spatiotemporal optical vortex
针对当前时空光涡旋（STOV）脉冲能量受限的问题，结合高峰值功率激光装置的大尺寸光栅对提出超高强度STOV产生方法，数值模拟验证远场可生成高能量完整结构波包，原理实验获1.1 mJ STOV并完成表征。
2025-08-20 physics.optics
Inverse design and optical vortex manipulation for thin film absorption enhancement
本研究展示了光学涡旋与薄膜吸收增强的相关性，通过逆向设计优化二维超薄吸收器，并引入OV circularity参数，揭示了高circularity局域OVs在优化纳米吸收器中的关键作用。
2023-09-07 physics.optics
Integrated vortex soliton microcombs
频率和轨道角动量（OAM）是光的独立物理性质，两者都提供了无限的自由度。然而，创建、处理和检测高维OAM状态一直是一项关键且持久的任务，因为所需光学系统的复杂性随着OAM维度急剧增加。另一方面，成熟的工具箱--如光学频率梳--已经在频域中开发出来，用于具有良好保真度的并行测量。在这里，我们将两个维度关联成光子芯片上的等距梳状结构。在非线性微谐振器中形成的耗散光孤子通过刻角光栅发射，每个梳状线携带不同的OAM。OAM和频率之间的这种一一对应关系表现出超过18.5 dB的最先进的消光比，从而实现光学涡旋的精确光谱学。所展示的涡旋孤子微梳提供了在空间和频率域中复用的相干光源，具有建立高维结构光的新工作方式的潜力。
2022-12-15 physics.optics
Ultrashort intense-field optical vortices produced with laser-etched mirrors
介绍了一种简单实用的方法来产生超短强光涡旋，用于高强度激光的应用。我们的方法利用飞秒激光脉冲激光蚀刻光栅线成激光质量的金镜。这些光栅线全息地编码光学涡旋。对于任何所需的（整数）拓扑电荷，我们推导出每个待蚀刻光栅线的数学方程。我们研究蚀刻凹槽的光滑度。我们表明，它们足够光滑，可以产生强度仅比理想情况低百分之几的光学涡旋。我们证明了蚀刻光栅可以用于我们的2f-2f设置的折叠版本[Mariyenko等人，Opt. Express 19，7599（2005）]以补偿角色散。最后，我们表明，蚀刻光栅承受高达10^12 W/cm 2的强度。
2007-08-29 physics.atom-ph physics.optics
Controlled generation of array beams of higher order orbital angular momentum and study of their frequency doubling characteristics
我们报道了一个简单而紧凑的实验方案，以产生高功率，超快，高阶涡旋阵列光束。利用介质微透镜阵列（MLA）和平凸透镜，我们产生了具有输入光束空间特性的阵列光束。将微透镜阵列看作一个二维正弦相位光栅，数值计算了阵列光束的光强分布，与实验结果吻合较好。使用高斯嵌入涡旋光束的阶数高达l= 6，我们已经产生了涡旋阵列光束与个别涡的阶数高达l= 6。我们还从理论上推导了控制光强分布、阵列尺寸和间距的参数，并进行了实验验证。在1.2mm长的BiBO晶体中，在1064 nm处的涡旋阵列的单程倍频产生lsh = 12阶的绿色涡旋阵列，其是泵浦光束的阶数的两倍。使用不同焦距的透镜，我们观察到所有阶的涡旋阵列都遵循类似于高斯光束的聚焦相关转换。绿涡旋阵列的最大功率为138 mW，单程效率高达~ 3.65%。这种通用的实验方案可以用来产生所需的空间强度分布在宽波长范围内通过简单地改变输入光束的空间分布的阵列光束。
2019-03-08 physics.optics
Integrated Optical Vortex Microcomb
本研究在III-V族集成非线性微谐振器上实现光学涡旋微梳，将光学涡旋与微梳结合，还生成了时变轨道角动量光脉冲，推动集成非线性与量子光子学发展。
2024-03-10 physics.optics
Reconfigurable on-chip vortex beam generation via acoustically stimulated Brillouin nonlinear optical radiation
该研究提出了一种基于声学激发的可重构芯片内涡旋光束生成方法，通过微波调制实现高维OAM叠加的灵活生成。
2025-11-20 physics.optics
Diffraction properties of lights with transverse orbital angular momentum
时空光学涡旋（STOV）是时空域中一种具有相位奇异性的光学涡旋，其中的光子可以携带横向轨道角动量（OAM）。STOV显示了许多值得探索的奇妙特性。本文从理论和实验两方面研究了STOV的衍射特性，这是一种基本的波动现象。横向OAM对STOVs的衍射行为有明显的影响。STOV脉冲经光栅衍射后的衍射图样呈现多瓣结构，每个间隙对应1个拓扑电荷。研究结果对理解STOV的物理特性具有重要的应用价值，如实现对不同拓扑荷的STOV的快速检测，为基于STOV的光通信奠定基础。
2022-01-29 physics.optics
Spin-Orbit Coupling for Optical Vortex Generation in van der Waals Materials
本文提出利用范德华材料的高双折射特性，通过自旋-轨道耦合在亚波长厚度内高效产生光学涡旋光束，为无需纳米加工的超紧凑涡旋发生器提供了新方法。
2024-08-22 physics.app-ph physics.optics
Democratising Optical Orbital Angular Momentum: a Set of Cost-Effective Tools
University of Bristol（布里斯托大学）；Vector Photonics Limited（矢量光子有限公司）
本文提出一种基于叉形衍射光栅和激光笔的低成本实验装置，用于教学环境中演示和探究光学轨道角动量。
2026-05-22 physics.ed-ph physics.optics
Generation of high-OAM ultraviolet twisted light for RF-photoinjector applications
ITMO University（ITMO大学）
通过光发射产生相对论性涡旋电子束需要具有良好控制轨道角动量（OAM）且与射频（RF）光注入器驱动激光系统兼容的紫外激光束，本文利用三种衍射光学元件在266 nm波长处产生高OAM涡旋光束，并展示了OAM含量和光谱带宽的实际控制。
2026-05-26 physics.acc-ph physics.optics quant-ph
Phase-probability shaping for speckle-free holographic lithography
光学全息术自1948年发明以来得到了迅速的发展，但由于难以消除不规则复场叠加中的本征涨落，使得伴随的强度随机分布的散斑至今仍难以消除。尽管空间，时间和光谱平均的散斑减少，这是极具挑战性的重建高均匀性，边缘清晰和形状无限的图像通过全息。在这里，我们预测，全息散斑可以通过缩小编码相位的概率密度分布，使光学叠加均匀化。在这种物理洞察力的指导下，开发了一种机器学习辅助的概率成形（MAPS）方法来抑制计算机生成全息图（CGH）中的强度波动，从而使实验重建具有超低散斑对比度（C=0.08）和创纪录的高边缘锐度（~1000 mm-1）的不规则图像。它打破了展示高端CGH光刻的最终障碍，从而使我们能够成功地图案化任意形状和边缘尖锐的结构，如涡旋光栅和二维随机条形码。
2022-11-18 physics.optics
Material-Anisotropy-Driven Topological Optical Lattices on Thin-Film Lithium Niobate
University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；International Quantum Academy, Shenzhen（深圳量子科学院）
利用X切薄膜铌酸锂的材料各向异性作为内置角动量耦合器，将回音壁模式转换为拓扑边带晶格，实现可寻址的高维轨道角动量态生成。
2026-06-23 physics.optics
Electrical detection of high-order optical orbital angular momentum
Peking University（北京大学）；Huizhou University（惠州学院）；Shanxi University（山西大学）；Peking University Yangtze Delta Institute of Optoelectronics（北京大学长三角光电科学研究院）
本文提出了一种硅基光电探测器，实现对高阶轨道角动量的直接电检测，具有高分辨率和手性鉴别能力，为芯片集成光学通信提供新方案。
2026-02-03 physics.optics
Geometric-phase microscopy for high-resolution quantitative phase imaging of plasmonic metasurfaces with sensitivity down to a single nanoantenna
光学超颖表面已经成为多功能光学器件的新一代构建模块。超颖表面元件的设计和实现对复杂纳米天线阵列引入的相位变化的准确评估提出了越来越高的要求，该过程被称为定量相位成像。尽管付出了相当大的努力，宽场（非扫描）相位成像，将接近光学显微镜的分辨率极限，并表明一个单一的纳米天线的响应仍然是一个挑战。在这里，我们报告了一种新的策略，在非相干全息成像的超颖表面，其中前所未有的空间分辨率和光灵敏度，通过充分利用光的偏振选择性控制通过几何（Pancharatnam-Berry）相位。测量在由标准光学显微镜和附加成像模块组成的固有稳定的公共路径设置中进行。相位信息是从记录中可获得的互相干函数中获取的，该记录是通过来自超颖表面的散射光和泄漏光的自干涉在宽带空间非相干光中创建的。在校准测量中，相位映射的精度和空间背景噪声分别优于0.01 rad和0.05 rad。成像擅长的高空间分辨率，实验证明了精确的振幅和相位恢复的涡旋超透镜和超表面光栅与833线/毫米。由于优越的光灵敏度的方法，我们证明了，第一次，我们的知识，宽场测量的相位改变由一个单一的纳米天线，同时保持精度远低于0.15拉德。
2018-11-05 physics.optics
