Interplay between diffraction and the Pancharatnam-Berry phase in inhomogeneously twisted anisotropic media
本文讨论了非均匀各向异性材料中电磁场的传播，其中光轴在横向平面内旋转，但沿传播方向不变。在这样的配置中，电磁波包的演化由潘查拉特南-贝里相位（PBP）控制，负责有效光子势的出现。在最近的一篇论文[A。Alberucci等人，“Electromagnetic confinement via spin-orbit interaction in anisotropic bonding”，ACS Photonics \textbf{3}，2249（2016）]，我们证明了有效势支持横向限制。在这里，我们发现的准模式的轮廓，并表明，光子势产生的Kapitza效应的光。数值模拟证实了理论结果，占介质双折射。最后，我们详细分析了能够支持非泄漏导模的配置。
2017-03-06 physics.optics
On electron imaging of small molecules, Part I: relative roles of multiple scattering and Fresnel diffraction
讨论了在小分子透射电子显微术中，多次电子散射和分子内自由空间传播的相对作用。有人认为，虽然多重散射往往只有一个温和的效果，在这种情况下，在分子菲涅耳衍射可能是显着的，由于浅的焦点深度在相关的实验条件下。因此，与本质上基于投影近似的传统计算机断层摄影相比，基于第一玻恩或第一Rytov近似的衍射断层摄影表示用于在此背景下重建静电势的三维分布的更合适的方法。提出了一种衍射层析的简化方法，并通过数值模拟实例进行了验证。
2019-11-28 eess.IV physics.optics
Bragg diffraction of large organic molecules
我们演示了抗生素环丙沙星和染料分子酞菁在厚光栅上的布拉格衍射。所观察到的图案示出了一个单一的主导衍射级与预期的依赖于入射角以及振荡的人口之间的非衍射和衍射光束的转移。我们实现了$14 \hbar k$（光子动量）的等振幅分裂和$18 \hbar k$的最大动量转移。这为高效、大动量的分束器和反射镜为高温和复杂分子铺平了道路。
2020-07-24 physics.optics quant-ph
Laser induced persistent orientation of chiral molecules
从经典和量子力学两个方面证明了在具有扭曲偏振态的激光场激发下，气相手性分子的对映选择性取向。与直觉相反，诱导取向，其方向是激光可控的，在激发后不会消失，而是在激光脉冲结束后很长时间内保持近似恒定，这是手性系统特有的行为。我们计算证明了这种持久的取向使用环氧丙烷分子（${\rm CH_{3}CHCH_{2}O}$，或PPO）作为一个例子，并考虑两种扭曲的偏振场：一对延迟的交叉偏振脉冲，和光学离心机。这一新颖的手性效应为利用非均匀外场检测分子手性、测定对映体过量和分离对映体开辟了新的途径。
2019-07-23 physics.chem-ph physics.optics
Single-molecule spectromicroscopy: the door into sub-diffraction refractometry
提出了一种利用单分子光谱探测固体中折射率$n$局域涨落的新方法。它是基于固体中染料中心的有效辐射寿命$T_1$对$n$的依赖性$T_1(n)$。超低温下SM零声子谱线的探测给出了SM自然谱线宽度（与$T_1$成反比）的值，并使揭示固体中局部$n$值的分布成为可能。在这里，我们证明了这种可能性的例子，无定形聚乙烯和多晶萘掺杂与三萘嵌苯。
2015-02-17 physics.optics
Single molecule imaging with longer x-ray laser pulses
在过去的五年里，使用X射线激光脉冲的连续飞秒晶体学已发展成为一种强大的技术，用于从微米和亚微米尺寸的晶体中确定蛋白质分子的原子结构。这种成功的关键原因之一是“自选通”脉冲效应，由此X射线激光脉冲不需要跑过所有辐射损伤过程。相反，X射线引起的损伤在脉冲完成其通过样品之前终止布拉格衍射，就好像布拉格衍射是由相等强度的较短脉冲产生的一样。因此，连续飞秒晶体学不需要像曾经认为的那样用短至5- 10 fs的脉冲来执行，而是可以在持续时间为50- 100 fs的脉冲下成功。我们在这里表明，类似的门效应适用于单分子衍射相对于空间不相关的损伤过程，如电离和离子扩散。在衍射对比度的计算中，通过将平均结构的衍射与来自由于损伤（“损伤噪声”）引起的结构的统计波动的衍射分开计算，可以清楚地看到该效果。我们的研究结果表明，亚纳米单分子成像与30- 50飞秒脉冲，像那些在目前运行的设施，还不应该被排除在外。我们提出的理论开辟了新的实验途径来测量损伤对单颗粒衍射的影响，这是需要测试损伤模型和确定最佳成像条件。
2015-04-21 physics.optics
Relative roles of multiple scattering and Fresnel diffraction in the imaging of small molecules using electrons, Part II: Differential Holographic Tomography
有人认为，在原子分辨率透射电子显微镜（TEM）的稀疏弱散射结构，如小的生物分子，多电子散射通常只有很小的影响，而分子内的菲涅耳衍射可以是显着的，由于本质上浅的焦深。这些事实表明，这种结构的三维重建从散焦图像系列收集在多个旋转方向的分子可以有效地执行为每个原子分别，使用非相干第一玻恩近似。相应的重建方法，这里称为差分全息层析，理论上开发和计算证明了几个数值模型的生物分子。结果表明，该方法是能够准确重建的原子在分子中的位置从TEM数据收集在一个小数目的随机取向的分子，与一个或多个散焦图像每个方向。可能的应用低温电子显微镜和其他领域进行了简要讨论。
2020-12-15 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Continuous Diffraction of Molecules and Disordered Molecular Crystals
单个非周期性紧凑物体（例如分子）的衍射图案是连续的，并且与该物体的傅里叶变换的平方模量成比例。当在晶体中排列时，来自所有物体的连续衍射波场的相干和产生调制单个物体变换的强布拉格峰。威尔逊统计描述了连续衍射强度的分布，其程度与它们适用于布拉格衍射的程度相同。从衍射无序的分子晶体获得的连续衍射由来自晶体中的单个刚性单元（例如分子）的波场的非相干总和组成，其与来自刚性单元在其每个晶体取向中的衍射的非相干总和成比例。这种取向的总和以类似于晶体孪生改变布拉格强度分布的方式改变统计。应用这些统计数据来确定连续衍射的参数，例如其缩放、光束相干性以及独立波场或物体取向的数量。连续衍射通常比布拉格衍射弱得多，并且可能伴随着远远超过信号强度的背景。而不是仅仅依赖于最小的测量强度，以指导减去的背景，它示出了如何可以利用所有测量值来估计的背景，噪声和信号，通过采用修改后的“嘈杂威尔逊”分布，明确包括背景。与背景和信号量相关的参数可以从测量强度的矩估计。的分析方法表明，在以前出版的连续衍射数据测量从不完美的晶体的光系统II。
2017-05-15 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph physics.data-an
Optical Diffraction Tomography Meets Fluorescence Localization Microscopy
本文将单分子定位显微数据重新建模为无相位光学衍射层析系统，并提出联合优化框架，仅从SMLM帧中同时估计折射率图和荧光分子位置。
2023-07-18 eess.SP physics.optics
Holography and Coherent Diffraction with Low-Energy Electrons: A Route towards Structural Biology at the Single Molecule Level
结构生物学的最新技术是由NMR、X射线晶体学和TEM研究主导的。然而，这些强大的工具都依赖于对大量分子进行平均。在这里，我们提出了一个替代的概念，旨在在单分子水平上的结构分析。我们表明，通过结合电子全息术和相干衍射成像的散射波的相位估计成为不必要的相位信息直接和明确地从数据中提取。用低能电子进行，这种无透镜显微镜的分辨率仅受电子波的德布罗意波长和探测器几何形状给出的数值孔径的限制。在对独立式石墨烯进行成像时，已经实现了2埃的分辨率，一次从一个数据集揭示石墨烯片的660.000个单位单元。应用于单个生物分子的方法允许非破坏性成像和进口的潜力，以区分不同构象的蛋白质与原子分辨率。
2015-02-23 cond-mat.mes-hall physics.atm-clus physics.bio-ph
Three-dimensional double helical DNA structure directly revealed from its X-ray fiber diffraction pattern by iterative phase retrieval
相干衍射成像（CDI）允许从其衍射图案中检索孤立物体（如大分子）的结构。CDI需要满足两个条件：成像辐射必须是相干的，物体必须是孤立的。我们讨论，它是可能的直接检索的分子结构，从它的衍射图案，这是既不与相干辐射，也不是从一个单独的分子，只要分子表现出在一个方向上的周期性，在纤维衍射的情况下。我们证明，通过应用迭代相位恢复方法的纤维衍射图案，重复单元，即分子结构，可以直接重建没有任何事先建模。作为一个例子，我们从二维X射线纤维衍射图（照片51）中恢复了DNA双螺旋的三维结构，照片51是雷蒙德·高斯林和罗莎琳德·富兰克林在著名的实验中获得的，分辨率为3.4埃。
2018-11-11 physics.bio-ph physics.data-an physics.ins-det
Analysis of Super-resolution Single Molecule Localization Microscopy Data: a tutorial
本教程综述了超分辨单分子定位显微镜（SMLM）数据处理与后处理的最新进展，介绍了SMLM突破光学衍射极限的原理及图像处理的关键作用。
2021-12-11 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.optics
Electromagnetically induced grating based on strongly coupled disperse red1 molecules
该研究利用DR1分子与F-P微腔强耦合产生激子极化激元，并构建电磁诱导光栅，实现可逆Rabi劈裂调控及衍射强度、角度和响应速度的显著提升。
2025-06-08 physics.optics
Twist-Induced Beam Steering and Blazing Effects in Photonic Crystal Devices
本研究设计了一种扭转双层光子晶体器件，通过扭转角度控制光束偏转方向，实现高效路由至单一衍射级次，效率超90%，并揭示其类似闪耀光栅的机制。
2024-12-15 physics.optics
Twisted Molecular Excitons as Mediators for Changing the Angular Momentum of Light
具有C_N或C_Nh对称性的分子可以吸收光角动量量子，产生具有明确准角动量的扭曲激子。在光束的傍轴近似水平上，这种相互作用中的角动量守恒。因此，一系列吸收事件可以用来产生一系列激子角动量。随后的衰变可以产生具有等于累积角动量的单个角动量的辐射。这样的分子可以被看作是改变光的角动量的媒介。这回避了利用基于高阶非线性的光-物质相互作用的需要。紧束缚的范例被用来验证角动量守恒，并演示如何利用它来改变光的角动量。然后，该方法扩展到一个时间依赖的密度泛函理论设置的关键结果被证明在多体，多层次设置。
2017-06-13 physics.atm-clus physics.optics
Molecular structure retrieval directly from laboratory-frame photoelectron spectra in laser-induced electron diffraction
普遍存在于大多数分子散射方法中的挑战是从散射信号中检索键距离和角度，因为这需要模式匹配算法或拟合方法的收敛。当对较大的分子成像时或对于具有很少先验知识的动态系统，该问题通常加剧。在这里，我们采用激光诱导电子衍射（LIED），这是一个强大的手段，以确定精确的原子构型的孤立的气相分子与皮米的空间和阿秒的时间精度。我们介绍了一个简单的分子检索方法，这是基于识别的关键点的振荡分子干涉散射信号，直接从实验室帧光电子能谱提取。该方法与基于傅立叶的检索方法进行了比较，我们表明，这两种方法正确地检索不对称的拉伸和弯曲场修饰的配置的不对称的顶部分子硫化羰（OCS），这是证实了我们的量子经典计算。
2021-07-01 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Proposal of Bragg Diffraction Imaging on Protein Crystals with Precession-Electron Annular-Bright-Field Microscopy
在理论研究中，作者首先讨论了三维晶体中布拉格衍射的波干涉，然后对衍射过程进行了量子力学解释，证明了布拉格衍射与入射光之间的干涉条纹与晶格面一致。通过引入扩束器的概念，我们可以解释布拉格衍射在透射电子显微镜中的像投影机制。在实践中，我们将采取在带轴投影图像，因为它的对称高密度衍射与平坦埃瓦尔德球和最小的重叠与相邻分子。通过使照明光束绕带轴旋转，并引入环形物镜孔径，我们只选择对二维电子探测器上的实像重建有正确贡献的运动学布拉格衍射。结果应该是一个积极的对比，干净的图像，没有动态衍射，也没有莫尔图案。重要的是，图像应该对散焦不敏感，并且空间分辨率可以不受物镜的球差和色差的限制。因此，小分子的成像，如药物结构将是直接的。通过从许多微晶或从大晶体的周围薄边缘在不同区域轴处拍摄多个投影图像，我们可以以原子分辨率重建较大蛋白质复合物的3D结构。
2021-05-09 physics.ins-det physics.optics
Laser-induced electron diffraction in the over-the-barrier ionization (OBI) regime
本研究通过经典轨迹模型和TDSE模拟，证明在过势垒电离区域中，激光诱导电子衍射仍能用于分子结构成像，为实时观测大多原子分子化学转变奠定基础。
2022-09-11 physics.atom-ph physics.optics
A novel approach for structure analysis of two-dimensional membrane protein crystals using x-ray powder diffraction data
粉末衍射方法在二维晶体学中的应用被认为是棘手的，因为与重叠反射相关联的不确定性。在这里，我们报告了一种方法，解决这些模糊性，并提供可靠的低分辨率相位信息直接从粉末衍射数据。我们应用我们的方法恢复的结构的细菌视紫红质（bR）分子的分辨率为7埃，仅使用粉末衍射数据从二维紫膜（PM）晶体。
2010-07-01 physics.bio-ph physics.optics
Probing the Effect of Molecular Structure Saddling on Ultrafast Charge Migration via Time-Resolved X-ray Diffraction
金属络合物是具有许多实际应用的大环有机分子。特别是，铜腐蚀物呈现出有趣的鞍形几何形状，多年来吸引了理论家和实验学家的极大关注。本工作致力于了解结构鞍在铜咔咯潜在的探测信号通过成像超快相干电子动力学的影响。线性极化脉冲被用来触发电子动力学和时间分辨X射线衍射成像的触发动力学。结果发现，时间分辨的衍射信号和电子通量密度的对称性减少是在铜corrole在超快电荷迁移过程中的鞍形的签名。此外，电子通量密度的分析表明，对角氮原子介导的相干电荷迁移之间通过中心铜原子。的通量密度和衍射信号的相关性表明，在时间分辨的衍射信号中编码的电荷迁移的签名。比较了非鞍型平面铜卟啉和鞍型非平面铜咔咯在基态的静态衍射信号。
2022-09-30 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.optics
Generation and reverse transformation of twisted light by spatial light modulator
空间光调制器（SLM）是现代光学中产生扭曲光和复杂图像等结构光的最常用、最方便的器件之一。扭曲光的无限维特性使其在利用单个光子的信息承载能力方面具有很大的应用前景，从而大大提高了光通信的信道容量。基于衍射理论对位相型空间光调制器产生的扭曲光的产生、演化和逆变换进行了详细的理论研究，得到了扭曲光随传输距离变化的解析表达式。理论计算的束流强度分布与实验观测符合得很好。我们的研究结果清楚地揭示了扭曲的光是如何从高斯空间形状逐渐出现到环形形状的，并且环形形状也将相反地逐渐演变为准高斯形状，在相反的变换中。这些结果将为SLM在许多光学实验中的应用和OAM模式复用在光通信中的应用提供指导。
2016-12-14 physics.optics quant-ph
Strong-field chiral imaging with twisted photoelectrons
分子手性的超快成像是实现成像和解释复杂和生物相关分子中电子动力学的梦想的关键一步。在这里，我们提出了一个新的超快手征现象，利用电子光学的最新进展，允许访问的轨道角动量的自由电子。我们表明，强场电离的手性目标与几个周期的线性偏振800 nm的激光脉冲产生光电子涡旋，其手性揭示了目标，我们讨论了这种现象的机制。我们的工作开辟了新的视角，在基于手性成像。
2023-03-07 physics.atom-ph physics.optics
Helicity-preserving optical cavity modes for enhanced sensing of chiral molecules
研究人员通常通过红外振动“指纹”吸收共振来检测分子。此外，手性分子的优势手性可以通过圆二色性（CD）检测，圆二色性是它们对入射的左旋和右旋圆偏振光的光学响应之间的归一化差异.在这里，我们介绍了一个腔组成的两个平行阵列的螺旋度保持硅磁盘，允许提高CD信号的两个以上的数量级为一个给定的分子浓度和给定的厚度的细胞含有的分子。其基本原理是一阶衍射成具有大横向动量和长寿命的螺旋度保持模式。与此形成鲜明对比的是，在传统的法布里-珀罗腔中，每次反射都会翻转光的旋向性，导致腔内的强度增强，但CD信号比没有腔的情况下更小。
2020-01-27 physics.optics
Radiation-damage-free ghost diffraction with atomic resolution
X射线自由电子激光（XFEL）可以对辐射敏感度太高的蛋白质晶体或单分子进行衍射结构测定。然而，电子形状因子可能已被修改，在超短X射线脉冲由于光电离和电子级联引起的强X射线脉冲。对于一般的X射线成像技术，最小化辐射损伤效应是主要关注的问题，以确保结构的忠实重建。在这里，我们表明，辐射损伤的自由衍射可以实现原子的空间分辨率，通过使用X射线参量下转换（XPDC），和双色双光子鬼衍射。我们说明，衍射图案的形成满足类似于布拉格方程的条件，与分辨率，可以作为精细的晶格长度尺度的几埃。由于样品被低能量的可见光子照射，因此它们可以免于辐射损伤。
2017-01-27 physics.optics quant-ph
Free electron topological bound state induced by light beam with a twisted wavefront
该研究提出探究超快电子-光相互作用中自由电子量子数的框架，推导了时空扭曲激光场下低能自由电子的Jackiw-Rebbi解，得到量子数为e/2的无色散飞行拓扑保护束缚态“半电子”，拓展了拓扑态的研究领域。
2024-08-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.other physics.optics
Superresolution technique beyond the diffraction limit under a structured beam via different optical nanostructures
Vellore Institute of Technology（维洛尔理工学院）；Chengdu University of Technology（成都理工大学）
本文提出利用不同纳米结构（如金字塔形纳米透镜）结合高阶高斯光束（Hermite-Gauss模式）实现约27 nm分辨率的近场聚焦，超越衍射极限，适用于量子技术等领域的超分辨成像。
2026-06-16 physics.optics quant-ph
