Morphological properties of 2D symmetric Airy beams extracted from the stationary wave approximation
研究了对称艾里光束在傍轴和非傍轴区域的形态学性质。我们考虑具有单个横向电场分量的2D电磁实现，并且在非傍轴区域中，具有沿着光轴的纵向分量。这些光束的一般结构进行了分析与几种方法的组合：几何光学通过使用焦散线，渐近波的光场的性质，使用驻波近似和数值积分。几何光学方法涉及定位临界点，这些临界点随后用于定相近似。在傍轴区域，根的最高阶数是3，而在非傍轴区域，阶数可以高达6。该技术产生的条件，以确定有趣的功能的光束，如波的数量在关键位置的建设性/破坏性的干扰。数值模拟结果证实了这一结论。通过这种方式，可以区分和分类相位奇点，如光学涡旋和位错。该算法可用于研究任何结构光场。
2019-07-24 physics.optics
Singular knot bundle in light
随着相干光束中涡旋结的尺寸减小，非傍轴效应改变了涡旋结光学奇点的结构。对于接近波长尺度的结结构，纵向极化效应变得不可忽略，并且电场和磁场不同，导致在横向和纵向极化分量中交织的打结结结构，我们称之为极化奇点结束。我们使用多项式光束近似和数值衍射理论分析它们的结构。分析揭示了紧聚焦几何中自旋轨道效应和极化拓扑的特征，并提出了测量这种现象的实验。
2018-07-24 physics.optics
Optical Polarization Möbius Strips and Points of Purely Transverse Spin Density
紧密聚焦的光束可以表现出围绕任何轴旋转的电场，包括横向于光束传播方向的轴。在某些焦点位置，相应的局部偏振椭圆可以退化成一个完美的圆，表示圆偏振点或C点。我们考虑线性偏振高斯光束的最基本情况，其中-在紧密聚焦时-当适当地选择观察平面时，由横向旋转场产生的那些C点可以形成3D光学偏振拓扑的中心。由于焦场的高度对称性，这些偏振拓扑结构表现出类似于莫比乌斯带的非平凡结构。我们使用一个直接的物理措施，找到一个任意取向的旋转轴的电场和实验研究的C-点周围的全三维极化拓扑结构，通过利用振幅和相位重建技术。
2016-01-22 physics.optics
Angular momenta, helicity, and other properties of dielectric-fiber and metallic-wire modes
自由空间电磁场中光的自旋和轨道角动量（AM）已经得到了很好的研究，甚至是非傍轴的。这些概念的重要应用之一是使用AM模式的信息传输，通常通过光纤和其他引导系统。然而，光在光学介质（包括色散和金属情况）中的自旋和轨道AM的自洽描述只是最近才提供的[K.Y. Bliokh等人，物理修订信函119，073901（2017）]。在这里，我们提出了第一个准确的计算，分析和数值，自旋和轨道AM，以及螺旋度和其他属性，圆柱形电介质和金属（纳米线）波导的全矢量本征模。我们发现显着的基本关系，如在一般的非傍轴情况下的圆柱形导模的正则总AM的量子化。这种量子化，以及自旋和轨道AM的非整数值，由模场中的广义几何和动力学相位决定。此外，我们表明，金属丝模式的自旋AM是确定的，在几何光学近似下，由表面等离子体极化激元的横向自旋沿螺旋轨道上的导线表面上传播。我们的工作提供了一个坚实的平台，为未来的研究和应用的AM和螺旋性质的引导光学和等离子体波。
2018-07-17 physics.optics
Far-field three-dimensional deep-subwavelength focal spot with azimuthal polarization
本文研究了基于快速傅里叶变换的远场超分辨纯方位焦场的产生。首次提出了一种自设计的差分滤波器，将环形的方位角焦场鲁棒地重构为具有亚波长横向尺度（0.392λ）的亮焦场，相对于螺旋相位板调制的紧聚焦方位角偏振，其衰减率为27.3%。通过进一步将通用差分滤波器与空间移位波束方法结合，除了允许极其尖锐的焦斑（其尺寸在横向以及轴向方向上又减小到0.228λ和0.286λ）之外，寄生旁瓣也降低到不重要的水平（< 20%），从而能够实现优异的三维深亚波长焦场（λ3/128）。进一步展示了相关的相位分布，以解开场奇异性和局部线性（即方位角）极化的湮灭。我们的方案开辟了一条有前途的路线，有效地引导和定制的焦场的重新分布。
2019-07-16 physics.optics
Vortex and anti-vortex compositions of exact elegant Laguerre-Gaussian vector beams
将传统的束流定义重新表述为它们的双向版本，并使用赫兹势，使束流场成为麦克斯韦方程组的精确矢量解。该方法适用于TM和TE偏振的高阶雅盖尔-高斯光束。它们的等拓扑荷和反拓扑荷的涡旋和反涡旋共轴合成以封闭的解析形式给出。组合光束的偏振分量由其径向和方位角折射率指定。两种类型的光束组合物的纵向分量是共同的，同时它们的横向分量是不同的，并且包括两个-非傍轴和傍轴-分别由傍轴参数和其倒数区分的独立部分。新的解决方案可能出现有用的任意矢量光束的建模和剪裁。
2016-10-15 physics.optics
Spin-Orbit Coupling and the Evolution of Transverse Spin
我们研究了紧聚焦圆偏振光束中横向自旋的演化，其中自旋-轨道耦合导致偏振椭圆在通过焦体积传播时发生局部旋转。这种效应可以解释为圆偏振横向场和携带轨道角动量的纵向场之间的相对古伊相移。相应的旋转的电横向自旋密度的实验观察到利用最近开发的重建方案，它依赖于横向自旋相关的纳米探针的定向散射。
2019-05-29 physics.optics
Generating optical angular momentum through wavefront curvature
本文揭示强聚焦光束中波前曲率梯度可产生新型自旋与轨道角动量，使线偏振高斯光束在焦区获得纵向角动量，为亚波长光学操控提供新自由度。
2024-11-21 physics.optics
Microsphere kinematics from the polarization of tightly focused nonseparable light
最近，已经表明矢量光束可以通过测量其全局偏振状态来用于快速运动学感测[Optica 2（10），864（2015）]。该方法依赖于照明场的空间和偏振自由度之间的相关性，这是由其不可分离的模式结构引起的。在这里，我们将该方法扩展到非傍轴制度。从理论和实验上研究了介质微球在紧聚焦矢量光束中散射产生的远场偏振态随粒子位置的变化。仅使用偏振测量，我们演示了米氏粒子在三维空间中的位置传感。我们的工作扩展了后焦平面干涉的概念，并强调了采用结构光的光镊偏振分析的潜力。
2020-10-30 physics.optics quant-ph
Tight focal spots using azimuthally polarised light from a Fresnel cone
当以高数值孔径聚焦光束时，焦平面中的所得电场分布取决于横向偏振分布，因为需要考虑光束的不同部分之间的干涉。众所周知，径向偏振光产生纵向偏振分量，并且可以在均匀偏振光的常规衍射极限以下聚焦，并且携带一个单位角动量的方位角偏振光可以实现甚至更紧密的焦斑。这对于例如提高扫描显微镜中的分辨率是有意义的。有许多方法可以产生这样的偏振结构，然而，设置可能是昂贵的，并且通常依赖于双折射组件，因此禁止宽带操作。我们最近已经证明了一种被动的，低成本的技术，使用一个简单的玻璃锥（菲涅尔锥），以产生结构化偏振光束。我们在这里表明，菲涅耳锥产生的偏振结构的重点优于径向偏振光在所有数值孔径。此外，我们详细研究了偏振光结构在双光子显微镜中的应用。具体来说，我们展示了一种方法，使我们能够产生所需的偏振结构在显微镜的后孔径通过预先补偿任何有害的相移使用的组合波片。
2020-05-13 physics.optics
Degree of polarization of a spectral electromagnetic Gaussian Schell-model beam passing through 2-f and 4-f lens systems
谱电磁高斯-谢尔模型（SEGSM）光束是高斯-谢尔模型光束的推广，其参数具有谱相关性，为随机电磁广义统计平稳类束场提供了一个基本的经典模型。研究了SEGSM光束通过2-f和4-f透镜系统的偏振度。观察到对于2-f透镜系统，透镜后焦平面处的光谱DOP相对于光轴的横向位置和光束的光谱参数而变化。对于4-f透镜系统，后焦平面处的光谱偏振度与光束的横向位置无关，而与光束参数有关，如光束均方根宽度的平均值、关联函数的均方根宽度以及透镜系统傅立叶平面处的孔径大小。
2020-07-16 physics.optics
Spin and orbital angular momenta of acoustic beams
本文分析了均匀介质中单色声波场的自旋角动量和轨道角动量。尽管是纯纵向（无卷曲），非均匀声波一般具有非零自旋角动量密度所造成的局部旋转的矢量速度场。我们发现，局域声波的自旋积分消失与纵向声子的自旋为0的性质。我们还表明，螺旋度或手征密度消失相同的声场。作为一个例子，我们考虑非傍轴声学贝塞尔光束进行定义良好的整数轨道角动量，以及非零的本地自旋密度，与横向和纵向分量。我们描述了声贝塞尔光束中的非平凡偏振结构，并指出了一些可观察到的现象，如非零能量密度和一阶涡旋光束中心的纯圆横向偏振。
2019-05-03 physics.class-ph physics.optics
Enhanced Spin-Orbit Interaction of Light through Complex Fresnel Reflection
School of Physics, University of Hyderabad（海德拉巴大学物理学院）
本研究通过多层介质反射镜后向反射非傍轴聚焦光束，显著增强了光的自旋-轨道相互作用，同时增强了涡旋光束振幅和自旋霍尔效应，并展示了多种偏振奇点拓扑特征。
2026-09-15 physics.optics
Transverse mode selective laser with gain regulation by a digital micromirror device
本文介绍了一种用数字微镜器件（DMD）进行增益调节的横模选择激光系统。通过开关DMD上的图案来调节激光介质中的增益调节。加载的抽运光在DMD上反射后可得到结构化的抽运光图案，然后通过短焦距透镜将其散焦到微片激光介质中，从而将抽运光图案转移到增益介质中，调节增益分布。通过该激光系统可以产生相应的结构化激光束。通过切换DMD上的加载图案，可以方便、快速地调节激光束图案。通过这种方法，我们展示了一个简单而灵活的激光系统，以产生按需的激光束图案。
2021-08-09 physics.optics
Far Field measurement in the focal plane of a lens : a cautionary note
从理论上研究了基于透镜傅里叶特性的远场测量方法的精度。我们考虑一个简单的光学装置，其中通过克尔介质的光束的远场强度图案由位于薄透镜的后焦平面中的CCD相机记录。利用菲涅耳衍射公式和数值计算，我们研究了CCD摄像机轻微纵向错位的影响。考虑到相干高斯光束，我们表明，在CCD相机的位置的微小误差可以产生一个缩小的横向图案，而不是预期的和众所周知的扩大。这种现象是强大的，足以坚持强烈修改的存在噪声的非相干光束。这种现象的存在具有重要的后果的设计和实现的光学波湍流领域的实验中，非相干波达到的平衡光谱只能从一个仔细的远场分析确定。特别是，远场的意外变窄可能会被误认为是经典波凝聚的显着现象。最后，我们表明，在实验中使用的光学元件的有限尺寸产生的衍射图案，具有翅膀衰减的方式相媲美的瑞利-金斯分布达到非相干波系统在philicical平衡。
2013-07-18 physics.optics
Polarization-controlled optical backflow in paraxial electromagnetic beams
Faculty of Mathematics and Natural Sciences, College of Sciences, Institute of Physical Sciences, Cardinal Stefan Wyszynski University in Warsaw（华沙卡尔迪纳尔·斯特凡·维什廷斯基大学理学院物理科学研究所）
研究近轴高斯光束中的光学回流，通过标量势表示发现纵向坡印廷分量为负的条件，并揭示偏振通过横向场约束数量控制回流区域的空间拓扑。
2026-06-16 physics.optics
On the dual-cone nature of the conical refraction phenomenon
在圆锥折射（CR）中，一束聚焦的高斯光束通过双轴晶体并平行于其中一个光轴，在焦平面处被一个暗（Poggendorff）环分裂成一对同心亮环。在这里，我们示出了在焦平面处不呈现Poggendorff精细分裂的CR横向图案的生成，即，它形成单个光环。该光环由非均匀偏振输入光束产生，该非均匀偏振输入光束通过使用模拟特征CR偏振分布的空间非均匀偏振器获得。该偏振器允许根据最近提出的CR现象的双锥模型来调制两个CR光锥之间的相对强度。我们表明，在焦平面上的干扰环的情况下，是由两个CR锥的选择之一。
2015-05-19 physics.optics
Uncertainty relation for focal spots in light beams
在强调体积中的定位的三维情况下，导出了在[Phys. Rev. A { \bf 86}，022118（2012）]中发现的光脉冲的不确定性关系。在这里，我们推导出的不确定性关系的光束在二维平面垂直于光束传播的方向，这是更有趣的现实光束。这种不确定性关系将焦斑的面积与横向光子动量的光谱联系起来。使不确定性关系饱和的光束的形状非常接近高斯。电场和磁场矢量的方向是圆偏振平面波的方向。我们的焦斑的不确定性关系是相当普遍的，但我们能够确定的值的下限，只有许多光子的光束。
2013-10-24 physics.optics quant-ph
Radius of a Photon Beam with Orbital Angular Momentum
分析了带有轨道角动量的光束中Gouy相移的横向结构，表明表征横向结构的Gouy半径$r_G$随节数$p$和光子角动量数$\ell$的增加而增加，即$\sqrt{2p+|\ell|+1}$.的古伊半径示出是密切相关的根均方半径的光束，并确定远离焦平面的半径的发散。最后，我们分析了坡印廷矢量在Gouy半径的背景下的旋转。
2012-06-29 physics.optics
Multi-twist polarization ribbon topologies in highly-confined optical fields
电磁平面波，麦克斯韦方程组的解，在真空中被称为“横向”。也就是说，波的振荡电场和磁场被限制在与波的传播方向横切的平面内。然而，在紧聚焦条件下，场可以表现出纵向的电或磁分量，横向的自旋角动量，或非平凡的拓扑结构，如莫比乌斯带。在这里，我们表明，当一个适当的空间结构的光束被紧紧聚焦，一个3维的偏振拓扑结构的形式的一个带两个全扭曲出现在焦点体积。我们通过实验研究所观察到的偏振带的稳定性和动力学，探索其拓扑结构的各种半径聚焦后，并为不同的传播平面。
2019-01-31 physics.optics
On beam models and their paraxial approximation
我们导出了真空中电磁波方程的聚焦激光脉冲解。在再现了著名的傍轴高斯和轴棱锥情形下的光束和脉冲表达式后，我们应用该方法分析了具有洛伦兹横向动量分布的激光束。虽然近轴的方法有一些成功的焦轴附近和焦点的瑞利范围内，我们发现，它不正确地预测典型的洛伦兹的横向下降。我们的矢势方法特别适用于计算弱激光脉冲背景下的量子电动力学过程。
2017-05-23 hep-ph physics.class-ph physics.optics
The dependence of transverse and longitudinal resolutions on incident Gaussian beam widths in the illumination part of optical scanning microscopy
从理论和实验两方面研究了高斯激光束经数值孔径为0.95的物镜聚焦后的光强分布。对于初始束腰相对于物镜入射光瞳半径很大和很小的情况，导出了聚焦处光强分布半高宽的近似公式。在实验中，针对各种针孔位置测量通过0.5微米针孔的能通量。我们发现，在横向和纵向上的焦点处的FWHM的不增加从最终的FWHM的，直到输入光束的束腰是减少到入射光瞳半径的一半以下。此外，我们观察到的输入光束的空间分布的意义对一个真正的高斯光束轮廓的情况下，初始束腰小。对于高NA与所产生的焦点光束腰相当于或小于激光的波长，之间的相互作用的电场和导电表面的针孔导致的横向半高宽被测量略小于与针孔开口卷积的未扰动的强度分布的半高宽。
2006-05-03 physics.optics
Coherence properties of focused X-ray beams at high brilliance synchrotron sources
提出了一种描述部分相干X射线聚焦光束特性的解析方法。该方法是基于统计光学的结果，并给出了光束的大小和横向相干长度在任何距离后的光学元件。特别是，在这里我们考虑高斯谢尔模型光束和薄的光学元件。讨论了聚焦元件的非相干和完全相干照明的极限情况。光束定义孔径的效果，通常用于在同步辐射源，以提高横向相干性的聚焦元件相结合，也进行了详细分析。以PETRA Ⅲ同步辐射光源为例，分析了复合折射透镜焦区的相干特性。
2013-06-15 physics.optics
Electromagnetic forces for an arbitrary optical trapping of a spherical dielectric
利用广义Lorenz-Mie和矢量衍射理论，给出了任意位置聚焦光束作用于球形介质粒子的光阱力的解析解。在这种情况下，在聚焦区域中考虑精确的电磁场。采用双镊子装置进行超灵敏力谱和观察力，通过光束偏振和定位展示了横电（TE），横磁（TM）模式的选择性耦合，并观察相应的形态依赖共振（MDR）作为光学力的变化。理论预测与实验结果吻合较好。这里提出的算法可以很容易地扩展到其他束几何形状和散射粒子。
2006-10-10 physics.optics
Internal flows and energy circulation in light beams
I.I. Mechnikov National University（伊·伊·梅奇尼科夫国立大学）；Applied Optics Group, School of Physics, National University of Ireland, Galway（高威爱尔兰国立大学物理学院应用光学组）；Institute of Physics, National Academy of Science of Ukraine（乌克兰国家科学院物理研究所）
本文研究了光束中内部流动与能量循环的机制，通过分析不同光束模型揭示了能量传输的特性及自旋-轨道相互作用。
2026-02-22 physics.optics
Transformation of vector beams with radial and azimuthal polarizations in biaxial crystals
本文从实验和理论两方面研究了径向偏振和方位偏振矢量光束在双轴晶体中传输时的锥形折射现象。我们表明，在焦平面上，横向图案是由一个环状的光结构与方位角的节点，被发现在径向/方位角偏振的环的直径相对的点的这个节点。我们还证明了变换光束的偏振态是类锥形折射，即光环的每两个直径相对的点是线正交偏振。
2015-05-19 physics.optics
Transverse Electron Beam Shaping with Light
该研究首次利用短强激光脉冲的有质动力势在自由空间实现可编程横向电子束整形，可制备与先进电镜性能相当的透镜及任意偏转图案，调制器具备无损耗等优势，为电子波前整形提供新路径。
2023-08-27 physics.ins-det physics.optics quant-ph
A focusing optical phased array for tissue interrogation with side-lobe suppression and simplified beam steering
本文提出一种基于氮化硅光子集成电路的聚焦光学相控阵，通过弯曲光栅发射器、旁瓣抑制和四信号热移相器实现单细胞级光刺激与简化光束转向，用于离体视网膜表征。
2025-07-20 physics.optics
Focusing Optical Phased Array for Optically Enabled Probing of the Retina with Subcellular Resolution
本研究提出一种工作于522 nm的氮化硅基聚焦光学相控阵，可补充微电极阵列实现视网膜电-光联合探测，通过波长调谐与简化热光移相器组合实现光束转向，达成1.4 μm的亚细胞分辨率靶向细胞激发。
2024-06-20 physics.app-ph physics.optics
Geometric spin Hall effect of light in tightly focused polarization tailored light beams
最近的研究表明，非零的横向角动量表现为傍轴光束的质心的偏振相关强度漂移[A。Aiello等人，物理修订信函103，100401（2009）]。其潜在效应在现象学上类似于光的自旋霍尔效应，但不依赖于特定的光-物质相互作用，可以解释为纯粹的几何效应。因此，它被命名为光的几何自旋霍尔效应。在这里，我们通过实验研究了这种效应在紧聚焦矢量束中的出现。我们使用实验纳米探测技术结合重建算法来验证焦平面中的电能量密度的分量的相对移位，这与强度移位有关。由此，我们从实验上证明了聚焦光束中光的几何自旋霍尔效应。
2013-08-12 physics.optics
Spin-dependent metalens with intensity-adjustable dual-focused vortex beams
具有轨道角动量的涡旋光束由于其在光镊、量子信息处理等领域的广泛应用而受到广泛关注。Metalens是一种超紧凑的多功能设备，为设计涡旋光束提供了理想的平台。自旋相关的超透镜可以提高自由度，以进一步满足实际应用。结合几何相位和传输相位，我们提出并证明了一种设计自旋相关超透镜的方法，该超透镜产生纵向或横向双聚焦涡旋光束，即，具有预先设计的自旋相关相位分布的超透镜。在椭圆偏振入射光的照射下，可以观察到两束自旋相关的聚焦涡旋光束，并且通过调节入射光的椭圆度可以很容易地调节它们的相对聚焦强度。此外，我们还证明了这些双聚焦光束之间的分离距离和它们的拓扑电荷可以同时任意定制，这可能对光子学中的光捕获和操纵产生深远的影响。
2021-09-08 physics.optics
A Simple Analytical Model of the Angular Momentum Transformation in Strongly Focused Light Beams
提出了一种描述强聚焦光学系统中矢量光束变换的光线光学模型。与通常的基于焦平面附近的聚焦场分布的方法不同，我们采用直接在出瞳附近形成的变换光束图案。在该截面中，输出场分布的细节具有较小的物理意义，但是适当地允许入射光束偏振状态的变换。这使得能够获得自旋和轨道角动量表示，这是有效的变换光束空间中的任何地方。对于只受圆孔限制的横向均匀圆偏振入射光束，给出了简单的解析结果。分析了输出光束的自旋和轨道角动量的行为及其与聚焦强度（孔径角）的关系。所得到的解析结果与空间非均匀高斯光束和拉盖尔-高斯光束的计算结果在定性和定量上都有很好的一致性。在拉盖尔-高斯光束的应用中，该模型为分析已经具有自旋和轨道角动量混合的光束的角动量变换提供了可能。该模型为自旋-轨道角动量转换的定性分析提供了有效和物理透明的手段。它可以推广到具有复杂空间结构和偏振结构的入射光束。
2009-10-01 physics.optics
Mapping of focused Laguerre-Gauss beams: The interplay between spin and orbital angular momentum and its dependence on detector characteristics
我们发现，传播的光场轴承轴对称不是真正的空心，尽管在轴上的零电场。这个结果是由基于电磁场矢量性质的一般论证得到的，在极端聚焦的情况下，当傍轴近似不再成立时，它具有特别的意义。具有“复杂”空间结构的场的快速空间变化在一般情况下被广泛地分析，并且对于拉盖尔-高斯光束2也是如此，特别是对于具有|l| = 2轨道角动量的光束，其中磁场和电场的梯度存在于轴上。因此，我们分析了原子大小的光探测器的行为，以及敏感的四极电跃迁和磁偶极跃迁，并将其应用到拉盖尔-高斯光束的情况下。我们详细说明如何映射这样的光束取决于性质和探测器的特定方向。我们还表明，极化和拓扑电荷，分别与自旋和轨道动量的傍轴近似时，混合的相互作用，修改焦平面中的光束的表观尺寸。这甚至导致在线性极化横向电场的情况下圆柱对称性的破坏。
2012-04-19 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
