Field theory of monochromatic optical beams. I
我们研究单色，标量的亥姆霍兹和傍轴波方程的解决方案，从场论的角度来看。我们引入适当的时间无关的拉格朗日密度的欧拉-拉格朗日方程再现亥姆霍兹和傍轴波方程的$z$坐标，与传播的领域的主要方向，发挥相同的作用，在标准拉格朗日理论的时间。对于亥姆霍兹和傍轴标量场，我们计算了正则能量-动量张量，并确定了场的“能量”和“动量”的连续性方程。最后，给出了Helmholtz波动方程的一阶Dirac形式的简化。这项工作揭示了光波场的角谱表示，宇宙学模型和黑洞物理之间的有趣的和不那么承认的联系。
2014-12-02 physics.optics quant-ph
Bi-chromatic paraxial beam as a model of spatio-temporal light fields
本研究提出仅含两个单色近轴分量的双色近轴光束简化模型，可用于分析非单色时空光场的特性，证实光场能量中心与概率中心高度重合，并通过数值算例展示了该类光场的演化与形变特征。
2024-04-11 physics.optics
Some exact solutions for light beams
本文给出了强聚焦单色光光束的无限类精确解析解。由于解不包含积分，与强聚焦光的衍射理论结果相比，它们更容易探索。所有单色光束都可以分解成两个驻波，每个驻波与另一个的希尔伯特变换成比例。这意味着可以从任何驻波构建波束，并且我们的类是使用此过程导出的。我们给出了一些光束的视觉概述，揭示了许多有趣的能量和场结构，包括能量流中的涡旋，传播方向上的角动量和打结的场线。我们还展示了如何使用该方法来设计具有任意焦点形状的光束。
2018-07-31 physics.optics
Field operator transformations in Quantum Optics using a novel graphical method with applications to beam splitters and interferometers
在本文中，我们描述了一种新的，图形化的方法，允许量子光学（QO）中的线性无损光学器件的场算符变换的快速计算。该方法的优点随着所考虑的光学设置的复杂性而增长。作为案例研究，我们研究了分束器（BS），马赫-曾德尔干涉仪（MZI）和双MZI的场算符变换。我们考虑单色输入光的简单情况，以及扩展到非单色的情况。
2014-07-30 physics.optics quant-ph
Time-reversing a monochromatic subwavelength optical focus by optical phase conjugation of multiply-scattered light
由于其时间反转性质，光学相位共轭产生单色光波，该波折回其传播路径。在这里，我们展示了再生的亚波长光学焦点的相位共轭。来自亚波长光源的单色光被随机纳米颗粒散射，并且通过使用空间光调制器将其波前耦合到单模光学反射器中，散射光在远场区域处相位共轭。然后，共轭光束折回其传播路径，并在源上形成亚波长尺度的重聚焦。这是第一次直接实验实现的亚波长聚焦超过衍射极限与远场时间反转在光域。
2016-06-28 physics.optics
Gaussian beams diffracting in time
我们展示了如何将任何单色近轴光束的数学表达式转换为脉冲光束的衍射从轴向切换到其时间结构的表达式。我们用时间衍射高斯光束来描述这种变换。讨论了所得到的无衍射波具有物理意义的条件。
2017-12-13 physics.optics
Time-diffracting beams: On their nature, diffraction-free propagation as needles of light, and nonlinear generation
本文研究了新近引入的时间衍射光束在自由空间中的特性。它们被证明是傍轴和准单色实现的本地化波，时空本地化波以任意速度无失真地行进。近轴和准单色制度是必要的，以观察什么可以适当地命名为衍射的时间。以准光速行进的有限能量的TD光束被认为形成比所谓的突然聚焦和散焦的光针或无限速度的限制TD光束长得多的焦点或光针。研究了洛伦兹变换和近轴光学系统变换下TD光束的性质，发现在强定域的基波泵浦作用下，物质介质的非线性偏振相对论运动产生了二次谐波TD光束，其在自由空间中的无衍射行为可以用标准的$4f$成像系统进行优化。
2018-02-28 physics.optics
Spatio-temporal vortex beams and angular momentum
我们提出了一个时空推广的已知的空间（单色）波涡旋光束携带内禀轨道角动量（OAM）沿传播方向。一般的时空涡旋光束是多色的，并且可以携带与平均动量成任意角度的本征OAM。应用（i）横波-矢量位移或（ii）洛伦兹提升到单色贝塞尔光束，我们构造了一族（i）时间衍射或（ii）无衍射时空贝塞尔光束，它们是Klein-Gordon波动方程的精确解。所提出的时空OAM态能够描述光子或电子涡旋态（相对论和非相对论），并且可以在粒子碰撞、运动介质光学、量子通信和天体物理学中找到应用。
2012-09-04 hep-th physics.optics quant-ph
Goos-Haenchen and Imbert-Fedorov shifts for bounded wave packets of light
我们提出了精确的表达的空间和角度的古斯-Haenchen和Imbert-Fedorov位移所经历的纵向和横向有限的光束（波包）从电介质界面反射时，而不是众所周知的情况下，单色光束的横向方向上有界，但沿传播方向无限延伸。这是在假设检测器时间长于波包的时间长度（波包状态）的情况下完成的。我们的结果将被应用到一个高斯波包的情况下，并表明，在泰勒展开的反射场振幅的领导阶，结果是相同的单色的情况下。
2012-10-01 physics.optics
Quasi-monochromatic bright gamma-ray generation from synchronized Compton scattering via azimuthal spatial-temporal coupling
高能电子与强激光脉冲碰撞时，通过逆康普顿散射（ICS）可以产生高能光子。激光等离子体加速器的发展使来自激光尾流场加速器的电子与等离子体反射镜反射的高功率驱动脉冲发生碰撞，从而有望获得紧凑的全光学γ射线源。然而，光学聚焦定律阻碍了在这种情况下实现高光子产额和单色光谱。我们提出了一个方位角的空间-时间尺度，利用螺旋抛物几何的焦场强度从激光光斑的大小。它将驱动激光束分解成具有几乎相同发散角和焦深的脉冲训练，在优化的线性区域中创建同步ICS。该方案解决了高效率和窄能散之间的矛盾，有利于使用超过相对论场强的高功率激光产生单色伽马射线。
2022-02-15 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
X and Y waves in the spatiotemporal Kerr dynamics of a self-guided light beam
本文用解析和数值方法研究了单色Townes光束在具有自聚焦非线性和正常色散的介质中时空不稳定性的非线性发展阶段。小扰动的自我导向光束被发现成长为两个巨大的，分裂的Y脉冲具有激波前沿的相对两侧。每个冲击脉冲放大一个共同传播的X波，或色散和衍射自由的线性波模式的介质，具有超宽的频谱。
2008-05-21 physics.optics
General method for focusing of waves using phase and amplitude compensation
基于相位和振幅补偿的波聚焦的一般方法适用于单色波、多色波和扩散波。单色波可以在自由空间中形成空间局部化的波，而多色波形成与介质中的亚波长区域相连的非衰减行进消逝模式，其中频率取决于波矢量。我们提出了一个类比之间的相位补偿方法和惯性，相对论坐标系之间的频率变换。
2010-03-09 physics.optics
A relativistic study of Bessel beams
我们提出了一个完全相对论分析贝塞尔光束揭示了一些值得注意的功能，是不明确的标准描述。它表明，有一个参考系，在该领域采取一个特别简单的形式，波出现旋转的圆圈。对贝塞尔光束的偏振态和角动量概念进行了重新分析。
2006-01-09 physics.optics
Tight focusing of polychromatic waves using angular spectrum compensation in spatially dispersive media
建立了一种基于角谱补偿的波紧聚焦的一般方法。我们应用的方法单色，多色和扩散波。扩散波和单色波可以在自由空间中形成空间局部化的波，而多色波形成光片或非衰减的行进倏逝模，其被限制在介质中的亚波长区域，其中频率取决于波矢量。我们建议我们的补偿方法和惯性，相对论坐标系之间的频率变换之间的类比。
2009-08-26 physics.optics
Range Emulator: A Compact Paraxial Optical System to Emulate Long-Distance Monochromatic Laser Propagation
University of Tokyo（东京大学）；Institute of Space and Astronautical Science, JAXA（宇宙航空研究开发机构）
本文提出了一种紧凑的近轴光学系统，用于模拟远距离单色激光传播，通过分析确定了所需最少透镜数量并探讨了系统紧凑性与制造精度的权衡。
2026-02-24 astro-ph.IM physics.ins-det physics.optics
Generation of Relativistic Structured Spin-Polarized Lepton Beams
针对相对论结构化自旋极化（SSP）轻子束产生的挑战，提出利用中等强度太赫兹波的新方法，基于介质衬里波导中速度匹配自旋旋转工作首次实现自旋极化模式匹配，可精确控制自旋结构并产生定制构型，为多领域研究开辟新途径。
2025-04-15 physics.optics
Self-trapped pulsed beams with finite power in pure cubic Kerr media excited by time-diffracting, space-time beams
我们研究了无衍射的时空波包的非线性传播，也称为时间衍射光束，因为它们的时空结构再现了时间上的衍射。我们报告的自发形成的传播不变，时空压缩脉冲光束进行有限的功率从激励时间衍射高斯光束在介质中的立方克尔非线性功率低于崩溃的临界功率，也与其他的湍流逮捕的非线性高于临界功率。它们的吸引特性使得在立方克尔介质中进行自陷脉冲光束的实验观测成为可能。自陷波包在时间和横向维度上的结构与单色高斯光束的自聚焦和（被捕）坍缩在轴向和横向维度上的结构相同。
2018-11-02 physics.optics
Backward Raman scattering in a relativistic electron beam and intense THz light
提出了一种新型的太赫兹激光器。通过可见光激光和相对论电子束之间的后向拉曼散射发射相干太赫兹光。确定了激光强度和电子束密度的阈值条件。该方案可能导致最强的太赫兹相干光源之一。
2020-03-04 physics.optics physics.plasm-ph
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
Intense high harmonic vector beams from relativistic plasma mirrors
空间非均匀极化矢量光束由于其独特的场特性和与物质相互作用的新颖效应而在许多应用中具有重要意义。在这里，通过三维粒子模拟，我们表明，在极紫外线到X射线光谱区域的强烈的矢量光束可以通过高次谐波产生（HHG）在相对论制度。在相对论等离子体镜的极端非线性高次谐波动力学过程中，基波激光束的矢量特征可以相干地转移到高频辐射上。矢量谐波光束可以合成为阿秒矢量光束。还可以产生携带轨道角动量的矢量谐波光束。这种明亮的涡旋和矢量光源在各种应用中提供了新的机会，例如具有高空间和时间分辨率的成像，超快磁光谱学和粒子操纵。
2021-03-19 physics.optics physics.plasm-ph
Relativistic electron beam, Backward Raman scattering and soft x-ray laser
提出了一种软X射线激光方案。强可见光激光和相对论电子束之间的后向喇曼散射通过多普勒频移产生软X射线。设想了最强的软X射线光源之一。
2020-03-04 physics.flu-dyn physics.optics physics.plasm-ph
Theory of the monochromatic advanced-wave picture and applications in biphoton optics
本研究建立单色光下超前波图像的形式化理论，可解释任意晶体和泵浦光产生的双光子态，用于分析多种量子成像与全息技术，还可拓展至非单色光场景。
2024-12-16 physics.optics quant-ph
Non-Diffractive Topological Spin Textures of Relativistic Twisted Fermion Beams
The George Washington University（乔治华盛顿大学）；William & Mary（威廉与玛丽学院）
研究光学和声学中结构化光束的非衍射极化、自旋方向分布等特性在费米子中的等效情况，给出适用于相对论和非相对论运动学的狄拉克粒子LG解，证明非衍射自旋纹理的存在。
2026-07-07 physics.optics quant-ph
Radiative instability of a relativistic electron beam moving in a photonic crystal
研究了光束在有限维光子晶体中运动的辐射不稳定性。得到了色散方程。结果表明，$Γ\sim ρ^{1/\left( {s + 3} \right)}$定律是有效的，它是由光子晶体的周期性扰动引起的有限体积中电磁场模式的混合引起的。
2010-11-12 physics.acc-ph physics.optics
Simultaneous generation and detection of energetic particle and radiation beams from relativistic plasma mirrors driven at kHz repetition rate
本文首次在kHz重复频率下同时测量相对论等离子体镜产生的高次谐波、相对论电子和低发散质子束，并展示了该装置用于系统参数研究和优化次级束流特性的能力。
2023-03-13 physics.optics physics.plasm-ph
Helical relativistic electron beam and THz radiation
讨论了利用螺旋形相对论电子束在强磁场中传输产生太赫兹激光。该方案的初始放大率比传统的自由电子激光要大得多。特斯拉量级的磁场可以产生0.5至3 THz范围内的辐射，对应于mJ的总能量和数十皮秒的持续时间，或GW量级的时间功率。
2011-11-06 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Relativistic Electron Vortex Beams: Angular Momentum and Spin-Orbit Interaction
受最近发现的携带轨道角动量（AM）的电子涡旋束的启发，我们构造了狄拉克方程的精确贝塞尔束解。它们描述了标量电子束的相对论和非傍轴修正。我们用Berry-phase修正描述了电子的自旋和轨道AM，并预言了自由空间中的内禀自旋-轨道耦合。这可以被观察到作为一个自旋相关的概率分布的聚焦电子涡旋束。此外，磁矩的计算，这表明不同的$g$ -因子的自旋和轨道AM，也包含贝里相位校正。
2011-09-11 cond-mat.str-el hep-th physics.optics
Relativistic electron vortex beams in a laser field
研究了电子涡旋光束与激光场相互作用时的轨道角动量霍尔效应和自旋霍尔效应。在傍轴光束的情况下，EVB和激光场的轨道-轨道相互作用的累积效应驱动轨道霍尔效应，这反过来又产生了光束的中心从无场的情况下向光子的偏振轴的偏移。此外，对于非傍轴光束，由于自旋-轨道相互作用的自旋霍尔效应，也可以观察到类似的光束中心移动。我们的分析表明，在傍轴光束的位移将总是大于在非傍轴光束。
2015-12-05 physics.optics physics.plasm-ph quant-ph
