Efficient generation of propagation-invariant spatially-stationary partially coherent fields
我们提出并证明了一种新的方法，用于产生传播不变的空间稳定的领域在一个可控的方式。我们的方法依赖于使用空间上完全不相关的平面主源产生平面波的非相干混合物。混合物中各个平面波的强度决定了所产生的相干函数的确切函数形式。我们使用LED作为主要的非相干源，并通过产生几个空间静止场，包括一种新的类型，我们称之为“区域明智的空间静止场”，实验证明了我们的方法的有效性。“我们还通过实验证明了这些场的传播不变性，这是这些场的一个非常有趣和有用的特性。我们的工作应该有重要的影响，利用空间相干性的应用程序，无论是在一个横向平面或在一个传播不变的方式，如相关全息，宽场OCT，通过湍流成像。
2017-09-20 physics.optics
Position measurement of non-integer OAM beams with structurally invariant propagation
提出了一种利用厄米-拉盖尔-高斯（HLG）模产生携带非整数轨道角动量（OAM）的结构传播不变光束的设计。与以前的技术不同，当改变OAM时，我们的光束的对称轴是固定的;这简化了使用象限检测器进行光束位置测量的校准技术。我们还证明了分析和实验的OAM值和HLG模式的方向起着重要的作用，在象限探测器的响应。象限探测器在光束中心最敏感的假设并不总是适用于各向异性光束轮廓，如HLG光束。
2012-09-18 physics.optics
Space-Time Surface Plasmon Polaritons: A New Propagation-Invariant Surface Wave Packet
我们引入了一类独特的传播不变表面等离子体激元（SPP），代表沿着未图案化的金属-电介质界面传播的脉冲表面波包，并且在所有维度上都是局部化的-具有潜在的亚波长横向空间宽度。这种线性无衍射、无色散的“等离子体子弹”的特征源于纳入SPP光谱支持域的紧密时空相关性，因此我们称它们为“时空”SPP。我们表明，群速度的时空SPP波包可以很容易地调谐到亚光速，超光速，甚至负值的剪裁的时空场结构独立于任何材料的属性。我们提出了一个分析框架和数值模拟的时空SPP的传播相比，传统的脉冲SPP的空间和时间的自由度是可分离的，从而验证了前者的传播不变性。
2020-03-08 physics.optics
Propagation-invariant beams with quantum pendulum spectra: from Bessel beams to Gaussian beam-beams
利用量子力学单摆的本征函数描述了一类新的传播不变光束。这些光束，其频谱（限于一个圆圈）是双周期的马修功能的方位角，取决于一个场强参数。当参数为零时，钟摆光束是贝塞尔光束，当参数接近无穷大时，它们类似于横向传播的一维高斯波包（高斯光束-光束）。摆梁是在平方角动量算子和线性动量算子之间插值的算子的本征函数。分析揭示了与马蒂厄光束的联系，并深入了解傍轴近似。
2013-07-26 physics.optics
Propagation-invariant high-dimensional orbital angular momentum states
在近轴光场的空间模式中编码的光子态为高维量子信息协议和相关研究提供了一个有前途的平台，其中一些开创性的理论和实验演示为未来的技术铺平了道路。至关重要的是，在自由空间传播中遇到的关键问题仍然是一个重大挑战。这是具有不同模式阶数的空间模式之间的异步衍射的情况，其在自由空间传播时经历其横向结构的变化。在这里，我们解决这个问题，提出了一种编码方法的基础上使用拉盖尔-高斯（LG）模式的相同的模态阶数N定义一个N + 1维空间。值得注意的是，这种模式赋予轨道角动量（OAM）经历相同的传播像差，具有相同的古伊相位和波前曲率。我们证明了我们的建议，通过使用时间相关的单光子成像结合数字传播技术的实验。重要的是，我们的技术允许在不使用成像系统的情况下消除与异步衍射相关的所有问题，为量子光学协议生成传播不变的OAM量子提供了一种可访问的方法。
2022-02-08 physics.optics
Beams with propagation-invariant transverse polarization pattern
介绍了一类在近轴传输过程中保持横向偏振方向图不变的非均匀全偏振光束。它们是作为高斯模式的适当组合获得的，并且在使用单个输入光束用于确定均匀样品的Mueller矩阵的偏振技术中找到应用。这类光束还包括在其横截面上呈现所有可能偏振态的光束（全庞加莱光束）。详细讨论了这种光束的一个例子及其在偏振测量中的应用。的偏振模式的不变性的要求可以被限制在远场中的传播，在这种情况下，较少的限制条件被发现和更广泛的类的光束被获得。
2021-01-29 physics.optics
Time-reversal invariant scaling of light propagation in one-dimensional non-Hermitian systems
光在正常介质中的传播不仅由折射率的实部决定，还由其虚部决定，虚部代表光的增益和损耗。因此，具有不同增益和损耗景观的两种介质可以具有非常不同的透射和反射光谱，即使它们的折射率实部相同。在这里，我们表明，虽然这一观察是真实的任意一维介质的折射率$n(x)$和它的时间反演伙伴折射率$n^*(x)$，存在一个普遍的缩放，使相同的透射率和反射率在这些相应的系统。有趣的是，这些缩放的透射率和反射率在时间反演不变系统中减少到它们的标准的、未缩放的形式，即，一个没有收获或损失。
2019-05-25 physics.optics
Structured light pulses and their Lorentz-invariant mass
作为相对论性物体，在真空中发现了结构光脉冲的洛伦兹不变质量和平均传播速度。我们解决了这种广为人知的场配置，如高斯，拉盖尔-高斯，贝塞尔-高斯，厄米-高斯，和艾里-高斯的边界问题。脉冲被采取具有有限持续时间的时间包络。我们发现，洛伦兹不变质量和平均传播速度显着依赖于脉冲的时空结构。我们发现，平均传播速度是独立的全能量的脉冲，是小于光速。
2019-04-11 physics.optics
Invariant imbedding theory of wave propagation in arbitrarily inhomogeneous stratified bi-isotropic media
双各向同性介质是线性各向同性介质的最一般形式，其中电位移和磁感应强度与电场和磁场强度都有关，包括各向同性手征介质和Tellegen介质作为特例。在非均匀双各向同性介质中，两种不同极化的电磁波相互耦合。本文发展了一种研究任意非均匀分层双各向同性介质中波传播问题的广义不变嵌入法，该方法可以准确有效地求解耦合波传播问题。我们验证了它的有效性和实用性，通过应用它的几个例子，包括波在一个均匀的手征板，表面波激发的双层系统的一层Tellegen介质和金属层，和模式转换的横向电磁波到纵向等离子体振荡的非均匀Tellegen介质。与普通各向同性介质的情况相比，我们发现在双各向同性介质中，s波和p波都发生了表面波激发和模式转换。
2016-04-02 physics.optics
Propagation-invariant vortex Airy beam whose singular point follows its main lobe
本研究提出一种由艾里光束与其横向剪切光束π/2相移叠加而成的新型涡旋艾里光束，其奇点跟随主瓣、传输稳定，轨道角模纯度较传统类型最高提升10%，有望在多领域开辟新应用方向。
2021-07-05 physics.optics
Propagation-invariant space-time supermodes in a multimode waveguide
当光脉冲在高度多模波导中空间局部化时，其能量通常分布在多个模式中，从而产生斑点横向空间轮廓，其随着传播而经历不规则的变化。理论上已经提出，其中每个波长被锁定到在规定的轴向波数的单个模式的脉冲多模场将以可调谐的群速度沿着波导恒定地传播。在这个概念中，最初局部化的场沿着波导保持局部化。在这里，我们提供了这类新的脉冲引导场的存在，我们表示时空超模，并验证其在平面波导中的传播不变性的原理验证实验确认。通过叠加多达21个模式，每个指定的波长，我们在170微米厚的平面玻璃波导中构建时空超模，群指数从1延伸到2。场的初始横向宽度为6微米，并且波导长度为9.1mm，这是相关瑞利范围的257倍。各种轴向不变的横向空间分布产生的模式，有助于ST超模，包括单峰和多峰场，暗场（包含空间倾角），甚至平坦的均匀强度分布的明智选择。
2022-04-04 physics.optics
Forward-backward equations for nonlinear propagation in axially-invariant optical systems
我们提出了一个新的一般框架来处理轴向不变的非线性光学系统，其中包括那些具有任何类型的线性或非线性横向不均匀性的电磁场的前向和后向分量。用最少的近似量，我们得到一个系统的两个一阶方程的前向和后向组件明确显示它们之间的非线性耦合。所使用的模态方法可以有效地减少原始问题的维数，从3+1（三个空间维度加一个时间维度）到1+1（一个空间维度加一个频率维度）。新的方程可以写成旋量的狄拉克形式，其中守恒量可以用一种优雅的方式计算。最后，这些新的方程固有地包含时空耦合，因此它们可以很容易地被具体化以处理纯时间或纯空间效应。以非线性正向脉冲传输和空间结构的非傍轴演化为例进行了分析。
2004-07-06 physics.optics
Couplings between the temporal and orbital angular momentum degrees of freedom in ultrafast vortices with propagation-invariant temporal shape
在任何形式的波传播中，当非基本的、三维的波包由纯平面波叠加而成时，或者由光-物质相互作用和非线性过程自发产生时，就会出现强时空耦合。具有轨道角动量（OAM）的超短脉冲或超短涡旋提供了一个关键范例，其中可以通过分析工具精确地进行以时间-OAM耦合形式的时空耦合的分析。通过推广和统一以前报道的结果，我们表明，普遍和空间异构的时空相关性发生在传播不变的时间脉冲进行OAM。在具有高强度的区域中，脉冲持续时间具有由涡旋的拓扑荷固定的下限，并且使得持续时间必须随着拓扑荷而增加。在低强度的涡旋附近的区域，一个大的蓝移的载波振荡和他们的数量的增加被预测为强扭曲光束。我们认为，这些非常普遍的发现突出了空间和时间之间存在结构性耦合。这些结果在自由空间通信、光谱学和高次谐波产生中也有应用。
2020-03-24 physics.optics
Mean propagation velocity of multiphoton wave-packet states with nonzero Lorentz-invariant mass
本文详细研究了光的各种多光子波包态的洛伦兹不变质量和平均传播速度的概念。基于光电探测理论和简单的运动学，我们给出了一个物理上合理的同时又严格的证明，证明了对于任意多光子波包态，平均传播速度与洛伦兹不变质量概念是一致的.我们认为，对于任意波包态，真空中的平均传播速度小于光速常数，并受态在波矢空间中振幅的几何性质所控制。为了对具有不同洛伦兹不变质量固定值的状态进行分类，我们引入了一组特定的模式，使我们能够在其静止坐标系中描述波包状态。
2020-06-30 physics.optics quant-ph
Unitary transformation approach to the paraxial wave equation
本研究提出基于传播依赖幺正变换的近轴波动方程框架，建立自由空间传播与二次GRIN介质动力学的形式等价，揭示高斯包络的等效简谐约束机制，可推导不同坐标系稳态解并关联零频率Ermakov方程与Lewis-Ermakov不变量。
2025-09-30 physics.optics
Propagation-Invariant Transmission Eigenmodes in Weakly Scattering Media
Instituto de Ciencias Nucleares, Universidad Nacional Autónoma de México（墨西哥国立自治大学核科学研究所）
本文研究散射不变模（SIMs）是否可同时具备散射与传播不变性，通过测量不同散射介质的传输矩阵识别局域化SIMs，发现弱散射时SIMs可获传播不变性，中强散射时其传播鲁棒性仍优于类高斯与贝塞尔光束。
2026-10-09 physics.app-ph physics.optics
Conservation of a spectral asymmetry invariant in optical fiber four-wave mixing
本文通过理论和实验研究，测试了光纤四波混频中光谱不对称不变量的鲁棒性，发现其对微小偏差高度敏感，并表明理想化系统介于非级联四波混频与非线性薛定谔方程系统之间。
2023-12-21 physics.optics
Generalized optical theorem for Rayleigh scattering approximation
本文导出了用传播不变光束表示的探测源光学定理的一般表达式。该表达式是使用瑞利区的远场近似得到的。为了说明这一结果是重温经典和标准的散射弹性问题的介质球的入射场可以是任何传播不变光束。
2021-01-26 physics.optics
Revisiting 2x2 matrix optics: Complex vectors, Fermion combinatorics, and Lagrange invariants
通过几何代数分析，提出矩阵光学中的高度角光线矢量应该是复数的。我们还提出光线的2 × 2矩阵算符应该是右作用的，这样矩阵乘积的连续性将与光的从左到右传播相一致。我们表示的传播和折射运营商作为一个单位矩阵和虚数矩阵的费米子创建或湮灭矩阵成比例的总和。通过这种方式，我们将矩阵算子的乘积约化为生成-湮灭乘积组合的和。我们将ABCD光学系统分为四类：望远光学系统、傅里叶逆变换光学系统、傅里叶变换光学系统和成像光学系统。我们表明，这些系统中的每一个都有一个相应的拉格朗日定理表示在偏导数，只有望远镜和成像系统有拉格朗日不变量。
2008-12-03 physics.optics
Universal structure of propagation-invariant optical pulses
本文揭示时空波包与理想飞行焦点共享相同的时空场结构，并证明该结构是恒速传播不变光脉冲的通用解。
2025-03-17 physics.optics physics.plasm-ph
Propagation-invariant strongly longitudinally polarized toroidal pulses
针对典型环形脉冲纵向偏振场幅度弱的问题，提出纵向分量幅度超横向分量十倍以上的强纵向偏振环形脉冲，其具有无衍射传播不变特性，可应用于光与物质相互作用、超分辨显微及大容量无线通信等领域。
2024-05-15 physics.class-ph physics.optics
Electromagnetic field theory for invariant beams using scalar potentials
本文用标量势描述了传输不变光束的电磁场。基本动力学量：能量密度，坡印廷矢量和麦克斯韦应力张量。作为一个例子，所有这些量显式计算的贝塞尔光束，这是一个不变的光束具有圆柱对称性。
2020-08-07 physics.optics
Light-sheet microscopy with attenuation-compensated propagation-invariant beams
散射和吸收限制了光场穿透到组织中，但是通常用于补偿这些效应的波前校正与宽视场成像不兼容并且实现起来复杂。我们展示了一种新的方法，增加穿透光片成像，即衰减补偿的光场。这定制了沿着照明传播不变场的指数强度增加，使得能够在样本内策略性地重新分布强度。这种强大而简单的概念，结合自愈合的传播不变的字段，提高了信号与背景比的艾里光片显微镜高达五倍，对比度噪声比高达八倍，在整个视场厚生物标本没有任何像差校正。这种改进不仅限于艾里光束光片显微镜，而且还可以显着提高贝塞尔和晶格光片显微镜技术的成像能力，为生物医学界的广泛采用铺平了道路。
2017-08-17 physics.bio-ph physics.optics
Generalized optical theorem for propagation invariant beams
许多实际应用需要使用不同的照明源的局部结构的电磁散射特性的分析。光学定理（OT）是散射理论中的一个有用结果，它将结构的消光与前向方向上的散射振幅联系起来。OT的最常见的推导是针对平面波给出的，但是光学工程的进步现在允许激光束成形，这可能需要一个扩展的定理，其中撞击源是结构化场。在这项工作中，我们推导出一个表达式的光学定理的基础上，经典电磁理论，探测源的传播不变光束。在远场积分散射振幅近似下，得到了微分散射截面的一般表达式。在瑞利近似下，通过改变入射角，分析了零阶贝塞尔光束通过介质球的散射问题。
2020-08-08 physics.app-ph physics.optics
Discrete diffraction and shape-invariant beams in optical waveguide arrays
本文全面研究了离散光在均匀和弯曲波导阵列中的线性传播的一般特性，并与连续介质中的傍轴衍射进行了比较。特别地，利用矩量法和最陡下降法导出了描述均匀阵列中波束扩展、波束衰减和离散远场方向图的一般规律。在弯曲阵中，矩量法被推广到描述全局波束参数的演化。一个家庭的光束传播的弯曲阵列保持其功能的形状-称为离散贝塞尔光束-也介绍了。离散贝塞尔光束在波导阵列中的传输可以简单地用一个复$q$参数的演化来描述，该参数类似于高斯光束在连续透镜波导介质中的复$q$参数。讨论了$q$参数形式的几个应用，包括光束准直和多边形光学布洛赫振荡。\
2010-01-06 physics.optics
Conversion of any finite bandwidth optical field into a shape invariant beam
本文讨论了一种将有限带宽的任意光场变换为具有横向尺度的形状不变光束的方法。该方法包括在调制的领域与适当的曲率半径的二次相位。作为一个特殊的应用，我们利用该方法将有限无衍射场的存在区域扩展到无界区域。
2018-09-12 physics.optics
Theory of the propagation of coupled waves in arbitrarily-inhomogeneous stratified media
本文推广了波传播的不变嵌入理论，导出了任意非均匀分层介质中任意数量的任意类型耦合波传播的新的不变嵌入方程，其中的波动方程是有效的一维方程。这样就把原来的耦合二阶微分方程的边值问题转化为耦合一阶微分方程的初值问题，从而使耦合波方程的数值求解变得容易。利用不变嵌入方程，我们可以准确、高效地计算非均匀介质中的矩阵反射系数、透射系数和波幅值。我们建立的有效性和有用性，我们的结果，将它们应用到圆偏振电磁波的传播在一维光子晶体的各向同性手征介质。我们发现在这些结构中存在三种带隙，并通过精确计算阐明了这些带隙的性质。
2004-12-20 cond-mat.other physics.optics physics.plasm-ph
Theory of space-time supermodes in planar multimode waveguides
本文建立平面多模波导中时空超模的理论框架，通过将各导模分配给预定波长实现轴向不变、低色散且群速度可调的脉冲传播。
2022-12-25 physics.optics
Encoding Propagation Invariance into Light
National Laboratory of Solid State Microstructures and School of Physics, Nanjing University（南京大学固体微结构物理国家重点实验室和物理学院）；Department of Physics and State Key Laboratory of Optical Quantum Materials, The Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学物理系和光学量子材料国家重点实验室）；Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, Nanjing University（南京大学先进微结构协同创新中心）；Collaborative Innovation Center of Extreme Optics, Shanxi University（山西大学极端光学协同创新中心）；Collaborative Innovation Center of Solid-State Lighting and Energy-Saving Electronics, Nanjing University（南京大学固态照明与节能电子协同创新中心）
本文提出将轴向衍射管理融入全息设计，实现横向功能与轴向演化协同设计，在空间光调制器和超构表面上验证了任务可选的轴向响应，拓展了全息场合成的维度。
2026-09-09 physics.app-ph physics.optics
Light transport in PT-invariant photonic structures with hidden symmetries
我们介绍了一种递归玻色子量子化技术，用于产生具有隐藏对称性和高阶例外点的经典PT光子结构。我们研究光在这些几何形状的传输，我们证明，完美的状态转移是可能的，只有在某些初始条件。此外，我们表明，对于相同的传播方向，左，右相干传输是不对称的场振幅遵循两个不同的轨迹。本文还提出了一种识别这种PT对称光子网络中守恒律的一般方案。
2014-08-07 physics.optics quant-ph
