Exact paraxial diffraction theory for polygonal apertures under Gaussian illumination
在边界衍射波理论的框架下，分析了单色高斯光束经任意形状多边形光阑的傍轴衍射。衍射波场的精确封闭形式的表达式，以及经典光学和概率论之间的一个有趣的连接。
2019-09-01 physics.optics
Non-intuitive Computational Optimization of Illumination Patterns for Maximum Optical Force and Torque
本文的目的是最大限度地提高光学力和扭矩的任意微米和纳米尺度的物体使用数值优化的结构照明。通过开发一个计算机自动设计三维矢量场照明的数值框架，我们证明了在模型等离子体粒子上的圆偏振平面波的每强度的光学扭矩的20倍增强。非凸优化有效地进行了一个紧凑的圆柱贝塞尔基表示与快速边界元法和一个标准的导数自由，局部优化算法相结合。我们分析了2000个随机初始配置的优化结果，讨论了鲁棒性和增强之间的权衡，并比较了多极等离子体共振对增强力和扭矩的不同影响。所有结果都是使用在线提供的开源计算软件获得的。
2017-01-26 physics.optics
Translation-based structured illumination microscopy via generalized Richardson-Lucy method
本文提出一种基于广义Richardson-Lucy算法的新型超分辨方法，通过随机照明平移和定制光学装置，在盲配置下实现了高抗噪性、低光学复杂度的宽场超分辨成像。
2025-07-14 physics.optics
Optimal illumination scheme for isotropic quantitative differential phase contrast microscopy
微分相衬显微镜（DPC）提供了高分辨率的定量相位分布薄透明样品下的多轴非对称照明。通常，DPC显微系统中的照明被设计成具有2轴半圆振幅图案，然而，这导致非各向同性相衬传递函数（PTF）。已经努力通过用具有3轴照明的径向不对称图案或具有2轴照明的梯度幅度图案来替换常规半圆照明孔径来实现各向同性DPC。然而，这些照明孔径是基于与PTF的形状相关的经验标准根据经验设计的，留下未探索的潜在理论机制。此外，PTF在这些工程照明下的频率响应尚未完全优化，导致相位重构的次优相位对比度和信噪比（SNR）。在这封信中，我们提供了一个严格的理论分析的必要条件和充分条件的DPC实现完美的各向同性PTF。此外，我们推导出最佳的照明方案，以最大限度地提高低频和高频（从0到2NAobj）的频率响应，同时实现完美的各向同性PTF只有2轴强度测量。我们提出的推导，实现，仿真和实验结果表明，我们的方法在相位重建精度和噪声鲁棒性的最先进的优越性。
2019-03-26 physics.optics
Low-Cost Continuous-Wave Diffusive Microtomography with Fiber-Scanned White-Light Illumination
Department of Electrical and Computer Engineering, University of Utah（犹他大学电气与计算机工程系）
提出一种基于智能手机显微镜、白光LED和3D打印微定位器的超低成本连续波扩散断层成像系统，结合物理模型与机器学习，实现生物样本的三维彩色重建。
2026-06-25 physics.optics
Analytical Fresnel Treatment of Double-Slit Diffraction with Multiple Coherent Waves
本文提出了一种利用多相干波进行双缝衍射分析的方法，通过解析表达式和数值模拟展示了其在光束整形和传感应用中的潜力。
2025-11-28 physics.optics
Analytical Method for Metasurface-Based Cloaking Under Arbitrary Oblique Illumination
针对电大散射体导致天线性能劣化的问题，提出一种基于包覆介质与超表面的导电圆柱的斜入射隐身解析方法，通过优化各向异性阻抗降低散射截面，适用于多类入射场，经微波场景验证且可推广至太赫兹、光学频段。
2023-08-21 physics.comp-ph physics.optics
Phase-multiplexed optical computing: Reconfiguring a multi-task diffractive optical processor using illumination phase diversity
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
本文提出一种单色多任务衍射网络架构，利用照明相位复用动态重构输出功能，实现大量复杂数值线性变换。通过独特的相位键实现不同变换，降低误差，提升光学计算能力。
2025-12-07 cs.NE physics.app-ph physics.optics
Internal-Illumination Photoacoustic Tomography Enhanced by a Graded-scattering Fiber Diffuser
光声成像在生物组织中的穿透深度从根本上受到当光通过组织表面外部传递时的强光学衰减的限制。为了解决这个问题，我们以前报告的内部照明光声成像使用定制的径向发射光纤扩散器，然而，具有复杂的制造，高成本，和不均匀的光发射。为了克服这些缺点，我们已经开发了一种新型的低成本的光纤漫射器的基础上的梯度散射的方法，其中的光纤漫射器的光散射逐渐增加，随着光的传播。分级散射可以补偿光学衰减并且沿着漫射器提供相对均匀的光发射。我们进行了蒙特卡罗数值模拟，以优化几个关键的设计参数，包括散射段的数量，散射各向异性因子，光纤的发散角，和周围介质的反射率。这些优化的参数共同导致沿光纤漫射器的均匀光发射，并且可以灵活地调整以适应不同的应用。我们制作并表征了由琼脂糖凝胶和内毒素制成的原型纤维扩散器。配备了新的光纤扩散器，我们对离体组织模型和体内猪模型进行了彻底的概念验证研究，以证明光声断层扫描的深度成像能力（离体达到约10 cm）。我们相信，通过优化的光纤漫射器的内部光递送是对深目标（例如，肾脏）。
2020-07-21 physics.med-ph physics.optics
Theory of optical forces on small particles by multiple plane waves
从理论上研究了平面波叠加作用下各向同性粒子所受的光力。我们推导出明确的解析表达式所施加的力的四极极化。基于这些解析表达式，我们证明了由两个倾斜的平面波组成的照明可以提供对光学力的完全控制。特别地，光学拉力、推力和横向力可以通过适当地调整照明参数来获得。我们的研究结果可能会基于对小粒子空间运动的确定性控制来解锁多种应用。
2018-02-06 physics.optics
First-principle calculation of solar cell efficiency under incoherent illumination
由于太阳光在时间上的非相干性，太阳能电池的效率取决于入射光的相干程度。然而，用于优化这些器件的数值计算方法从根本上考虑完全相干光。此后，我们表明，太阳能电池的非相干效率可以很容易地解析计算。非相干效率是简单地从相干的一个得益于卷积产品的功能，表征非相干光。我们的方法既不是启发式的，也不是经验性的，而是从第一原理推导出来的，即麦克斯韦方程组。通常，为了再现非相干行为，使用需要大量数值模拟的统计方法。使用我们的方法，不需要这样的方法。我们的结果进行了比较，从以前的作品和良好的协议。
2013-05-23 physics.optics
Incoherent Optoelectronic Differentiation with Optimized Multilayer Films
基于傅立叶的光学计算操作，例如空间微分，最近已经使用平面光学器件以紧凑的形状因子实现。然而，实验演示仅限于需要激光照明并导致斑点噪声和不需要的干涉条纹的相干光。在这里，我们展示了使用优化的多层膜，结合双色图像减法，实现与非偏振非相干光的分化。全局优化是通过采用神经网络结合协调水平集方法来优化多层膜在532 nm和633 nm波长的光学传递函数。然后通过减去这两个波长处的归一化非相干图像来实现空间微分。实验表明，优化后的多层膜可实现非相干微分，数值孔径可达0.8，分辨率可达6.2 μm。多层膜的使用允许无光刻制造，并且容易与现有的成像系统结合，从而打开了显微镜、机器视觉和其他图像处理应用的大门。
2021-12-05 physics.app-ph physics.optics
Theoretical Model of Microparticle-Assisted Super-Resolution Microscopy
Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University（莫斯科国立大学物理系）
本文提出了一种三维理论模型，用于微粒辅助超分辨率显微镜，揭示了部分空间相干性对超分辨率的重要性，并提出了一种增强图像对比度和分辨率的新型照明策略。
2026-02-17 eess.IV physics.optics
Optimized multifrequency light collection by adaptive self-ordering of scatterers in optical resonators
在高Q光学腔中，由接近腔共振的激光横向照射的移动光散射体形成有序图案，其最大化进入腔中的光散射并诱导光学自捕获。我们表明，这种结晶动力学的一般形式出现在多色泵浦场与几个腔模式。这里，颗粒以空间图案排列，最大化进入谐振器的总光收集。为了更改输入频率和强度，粒子动态地适应当前照明。有趣的是，系统对过去的配置保留了一些记忆，因此稍后重新应用相同的模式会更快地适应最佳的集体散射。在嘈杂的环境中，粒子探索更大的区域的配置空间花费大部分时间接近最佳散射配置。这种自适应的自排序动力学应该是可实现的，在广泛的系统范围内，从多模腔或纳米光纤陷阱的冷原子的分子或移动的纳米粒子内的光学谐振腔。
2014-07-24 physics.optics quant-ph
Optical cooling of lead halide perovskite nanoparticles enhanced by Mie resonances
卤化物钙钛矿是一类在室温下具有高效发光和强电子-声子相互作用的半导体材料，具有良好的光制冷性能。另一方面，基于钙钛矿的纳米光子设计将允许在纳米级进行有效的光学冷却。在这里，我们提出了一种新的策略，在纳米级的基础上，在卤化物钙钛矿纳米粒子的光学共振工程的光学冷却增强。即，纳米颗粒中的光致发光上转换效率通过在发射和吸收波长处激发米氏共振来优化。在波长980 nm和中等强度（7 × 10 $^6$ W/cm 2）的CW照射下，对于玻璃衬底上的混合卤化物钙钛矿（CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$）530 nm纳米颗粒，实现了超过100 K的优化的理论光致温度降低。优化制度起源于同时激发的磁四极和磁八极在泵浦和发射波长，分别。热敏感的光致发光信号和卤化物钙钛矿纳米腔制造的简单性的组合将为实现用于高级应用的纳米级光学冷却器铺平道路。
2019-05-30 physics.app-ph physics.optics
Diffractive lensless imaging with optimized Voronoi-Fresnel phase
King Abdullah University of Science and Technology（阿卜杜拉国王科技大学）；Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences（中国科学院自动化研究所）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）
无透镜相机是一类成像设备，其通过用集成的平面光学器件和计算算法替换传统的复合透镜来将物理尺寸缩小到非常接近图像传感器的位置。在这里，我们报告了一个衍射无透镜相机与空间编码的Voronoi-Fresnel相位，以实现卓越的图像质量。我们提出了一个设计原则，最大限度地利用光学获取的信息，以促进计算重建。通过引入一个易于优化的傅里叶域度量，调制传递函数体积（MTF），这是相关的Strehl比，我们设计了一个优化框架，以指导衍射光学元件的优化。所得到的Voronoi-Fresnel相位具有包含基础一阶Fresnel相位函数的准质心Voronoi单元的不规则阵列。我们使用原型Voronoi-Fresnel无镜头相机在160万像素图像传感器上在各种照明条件下演示并验证了摄影应用的成像性能。结果表明，所提出的设计优于现有的无透镜相机，并可能有利于在极端物理条件下工作的紧凑型成像系统的发展。
2022-12-07 cs.CV physics.optics
Large-scale nonlinear optical computing with incoherent light via linear diffractive systems
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
本文提出利用优化的衍射处理器在非相干或部分相干照明下实现大规模非线性函数逼近，展示了通过强度输入编码和密集探测器读取实现单次前向传递中计算百万种非线性函数的方法。
2026-03-31 cs.NE physics.app-ph physics.optics
Implantable silicon neural probes with nanophotonic phased arrays for single-lobe beam steering
本研究提出集成端射光学相控阵与平板光栅的硅神经探针，在超过60%转向范围内形成单瓣可转向光束并实现至少4 dB背景抑制，用于脑深部光遗传学刺激。
2024-04-03 physics.bio-ph physics.optics
New Optimized Band-Pass Filter To Increase Optical Temporal Coherence of Thermal Light
提出了一种新的波长优化带通滤波器来提高热光的光学时间相干性。该滤波器的参数的选择是基于解决一个优化问题，以找到最强烈的发射频率间隔的黑体辐射频谱。对于总发射能量的给定值，计算出的频率间隔也是相干滤波器的最西频带。因此，所发现的间隔可以用于在已经通过的总能量的给定水平下实现最高可能的相干性质。计算这种优化的带通滤波器的实现的相干长度值。分析结果给出了寻找最佳间隔和计算优化滤波器的相干性。
2018-10-26 physics.chem-ph physics.optics
