Physical essence of propagable fractional-strength optical vortices in free space
分数阶矢量涡旋光束最近被证明是分数强度光学涡旋的新载体。但是，为什么这两种不稳定态结合形成的新涡旋光束能够在自由空间中稳定传播呢？本文通过揭示自由空间中可传播的分数强度光学涡旋的物理本质来解决这一科学问题，并由此提出了对这些涡旋光束的三个新的认识，即Abbe衍射极限、涡旋光束的相位演化和相位二元时间矢量特性：第一，由于Abbe衍射极限，固有偏振模纠缠在一起，从而将整个奇特的涡旋光束保持在自由空间中。对于第二种，我们证明了涡旋光束的相位演化，这是分数阶VVB偏振旋转的物理原因。对于第三种情况，相位不仅是光束的标量属性，而且表现为二值时间矢量属性。这一工作对涡旋光束的位相和阿贝衍射极限提供了完全不同的物理观点，加深了我们对经典光学中光束行为的认识。
2022-08-03 physics.optics
The mutual transformations of fractional-order and integer-order optical vortices
我们认为光学中的奇异光束问题是物理学中，特别是流体力学和量子力学中具有分数拓扑荷的涡旋态的相互作用、成形和变换的一般问题的一部分。从分数阶涡旋态表示为无穷多个具有不同能量分布的整数阶涡旋的叠加出发，（涡旋谱）我们表明分数涡旋光束的平滑波前可以衰减成整数阶涡旋的非对称阵列，反之亦然，光学涡旋阵列可以聚集在一起，形成在自由空间中传播时具有螺旋形相位分布的平滑波前。我们发现，一个简单的叠加的分数阶涡旋光束的有限数量，使我们能够形成对称的奇异光束与所需的拓扑电荷的整数阶涡旋。
2017-08-05 physics.optics
Negative optical spin torque wrench of a nondiffracting non-paraxial fractional Bessel vortex beam
吸收瑞利介质球在无衍射非傍轴分数贝塞尔涡旋光束中受到自旋力矩的作用。在偶极近似下利用电场的辐射修正计算了轴向和横向辐射自旋力矩分量。特别强调的是，以及改变拓扑电荷和光束的半锥角的偏振。当光束阶数为零时，轴向自旋力矩分量消失。然而，当光束阶数变成一个实数正数时，涡旋光束会产生左手（负）轴向自旋力矩，因为球体从光束中心偏离轴向移动。结果表明，无衍射非傍轴分数贝塞尔涡旋光束能够诱导任意放置的瑞利吸收球发生自旋反转，在粒子操纵、光镊旋转、光学牵引光束、光学工程超材料设计等方面具有潜在的应用前景.
2016-05-30 physics.optics
Geometric phase associated with Poincaré beams due to unfolding of fractional optical vortex beams
利用混合螺刃位错的计算全息图对高斯光束进行衍射，产生分数阶涡旋光束。将产生的分数涡旋光束展开为双折射晶体内的本征偏振分量，导致光束横截面中的标量相位奇异性转换为矢量偏振奇异性。椭圆场的奇点即C点（未定义长轴的点）和L线（未定义手性的线）穿过光束的演化量化了变换。的位错，横向空间分离和纵向相对相位的两个本征偏振分量上确定的复杂的横向偏振结构的分数阶决定的相位形态的效果进行了研究。所产生的庞加莱光束的性质也通过将偏振态投影到庞加莱球上来表示。随着位错阶数从0.0逐步增加到1.0，相对相位的增加，部分庞加莱梁转化为完整的庞加莱梁。对于不同的展开视场光束的动态相位差，通过C点周围庞加莱球轮廓的几何相位来测量C点周围局部结构的变化。该研究为涡旋光束在不同几何相位下的应用提供了参考。
2019-06-05 physics.optics
Machine learning identification of fractional-order vortex beam diffraction process
Wuhan Institute of Technology（武汉工程大学）
针对分数阶涡旋光束衍射影响OAM识别的问题，提出基于ResNet的深度学习方法，精确识别传播距离和拓扑电荷，在湍流下准确率达99.69%。
2025-10-23 physics.optics
Simple experimental realization of optical Hilbert Hotel using scalar and vector fractional vortex beams
从历史上看，无限长一直被认为是一个模糊的概念-无限的，无尽的，比最大的更大-没有任何量化的数学基础。这一观点在19世纪通过Georg Cantor的开创性工作而改变，他表明无限集合遵循自己看似矛盾的数学规则。1924年，大卫·希尔伯特通过一个思想实验强调了无穷大的奇异性，这个实验现在被称为希尔伯特旅馆悖论，或者简称为希尔伯特旅馆。这个悖论描述了一个“完全”被占用的假想酒店，它有无限多的单人房间，经理总是可以通过简单地将当前的客人转移到下一个最高的房间来为新客人找到一个房间，留下第一个房间空着。波场奇异性的研究揭示了希尔伯特思想实验的直接光学类比的存在。从那时起，人们一直在努力调查希尔伯特酒店的属性，通过控制“分数”阶光学涡旋光束的相位奇点的动力学。在这里，我们已经采取了这样的建议，以一个新的水平和实验证明希尔伯特的酒店使用相位和偏振奇点的光场。使用多斜坡螺旋相位板和超连续谱源，我们产生和控制分数阶涡旋光束的希尔伯特酒店的实际实施中的标量和矢量涡旋光束。使用多斜坡螺旋相位板，我们显示了复杂的广义希尔伯特酒店的过渡的可能性。通用的实验方案说明了有用的结构光束在可视化不寻常的数学概念，也为分数矢量光束驱动的基础和应用研究。
2023-03-20 physics.optics
Analysis of practical fractional vortex beams at far field
本研究通过数值分析实际分数阶涡旋的远场相位和跃迁行为，揭示了TC测量极限及高阶测量挑战，并提出依赖TC和束腰的“强度阶梯”，为实际涡旋测量提供新见解。
2024-02-08 physics.optics
Effective Sorting of Fractional Optical Vortex Modes
本文提出一种基于坐标变换和拓扑荷匹配的分数阶光学涡旋模式分选方法，将分数阶OAM转换为整数阶后分选，并通过理论和实验验证，有望用于高保密、高容量通信。
2024-04-19 physics.optics
Fractional discrete vortex solitons
我们研究了当标准离散拉普拉斯算子被分数阶拉普拉斯算子取代时，正方形格子中非线性离散涡旋孤子的存在性和稳定性。这就产生了一个新的、有效的位点能量项，以及位点之间的耦合，其范围取决于分数指数$α$的值，在小的$α$值时变为有效的长程。在长距离下，可以表明这种耦合比指数衰减更快：$\sim \exp(- |{\bf n}|)/\sqrt{|\bf{n}|}$。在一般情况下，我们观察到的离散涡旋孤子的稳定域扩展到较低的功率水平，作为$α$系数减小，独立于他们的拓扑电荷和/或图案分布。
2021-02-09 nlin.PS physics.optics
Effects of misalignments in the optical vortex transformation performed by holograms with embedded phase singularity
从理论上研究了轴与全息图光轴不同的拉盖尔-高斯圆光束入射到“叉形”全息图上产生衍射光束的空间特性。根据库默尔光束或超几何高斯光束的叠加，导出了衍射光束复振幅分布的一般解析表达式。衍射光束结构由入射涡旋光束的“适当”拓扑电荷m和由全息图“赋予”的奇点的拓扑电荷l的组合确定。详细研究了m和l的几种组合以及相对于全息图光轴的各种入射光束位移的衍射光束结构的演变。由于入射光束的失调的强度和相位分布的变化进行了研究和有目的的光学涡旋光束的产生和光学测量的可能应用进行了讨论。
2010-04-27 physics.optics
Airy-Gaussian vortex beams in the fractional nonlinear-Schrödinger medium
研究了圆形Airy-Gaussian涡旋光束在分数阶非线性薛定谔方程模拟的（2 + 1）维光波导中的传输。系统分析的光束的自动聚焦揭示了一个强烈的非单调依赖性的峰值强度在焦平面上相应的列维指数，具有很强的最大值在α = 1.4。研究了非线性强度、输入光束中的艾里因子和高斯因子的宽度比以及光束涡度对自聚焦动力学的影响。特别地，如果非线性足够强，则发生多个自动聚焦事件。在方位调制不稳定性的作用下，轴对称光束会分裂成一组分离的亮斑。在强分形的情况下（α接近1），非线性光束自陷，第一次自动聚焦后，成为一个呼吸的涡旋准孤子。也考虑了由束场引起的辐射力，从而确定了探针纳米颗粒的捕获位置。
2021-10-01 physics.optics
Propagation dynamics of the circular Airy Gaussian vortex beams in the fractional nonlinear Schrödinger equation
研究了圆形艾里高斯涡旋光束在分数阶非线性薛定谔方程（FNSE）描述的（2+1）维光学系统中的传输动力学。将分数阶衍射与非线性效应相结合，随着分数阶衍射Lévy折射率的增大，自聚焦效应减弱，聚焦光束半径变大，自聚焦长度变短。研究发现，在Lévy指数不变的情况下，随着CAGVB分布因子的增大，突变自聚焦效应变弱，突变自聚焦长度变长。讨论了输入功率和拓扑荷对自聚焦特性的影响。然后，我们找到了具有向外加速度的CAGVB，并展示了其自散焦特性。最后，在FNSE光学系统中，具有正涡旋对的离轴CAGVB在传播过程中表现出有趣的特征。
2020-11-14 nlin.PS physics.optics
The Geometric phase and fractional orbital angular momentum states in electron vortex beams
本文从几何相位的角度研究了电子涡旋光束中的分数轨道角动量态。我们已经考虑了电子的skyrmionic模型，其中它被描绘为围绕涡旋线的标量电子轨道，这引起了自旋自由度。标量电子绕涡旋线运动所获得的几何相位引起自旋-轨道相互作用，从而产生分数OAM态，其非量子化的π电荷与相应的几何相位相关联。这涉及EVB中的倾斜涡流。的电荷经历的重整化群（RG）流，其中包括一个长度尺度的依赖性，使分数OAM状态不稳定的传播。指出当EVB在外部磁场中运动时，拉盖尔-高斯模的Gouy相位改变了几何相位因子，适当选择径向折射率有助于获得稳定的分数OAM态.
2016-12-13 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Generation of optical vortex light beams by volume holograms with embedded phase singularity
从理论上研究了具有位相奇异性的厚全息元件产生的涡旋光束的特殊特性。体积HE结构基于OV光束与具有规则波前的标准参考波之间的3D干涉图案。入射光束衍射的线性单散射模型的框架内，其中的体积HE是由一组平行的薄层与“叉”全息结构表示。推导出了具有光学V的傍轴光束衍射后的复振幅分布的显式积分表达式。数值分析表明，HE厚度不仅会影响OV光束的选择性和效率，而且会影响衍射光束的振幅和相位分布及其传输的稳定性。我们已经研究了产生的OV形态及其演变规律，特别是，获得一个圆对称的OV光束，无论衍射角的可能性被揭示。
2012-03-28 physics.optics
Transformation of Optical Vortex Beams by Holograms with Embedded Phase Singularity
从理论上研究了圆劳埃-高斯模入射的“叉形”全息图衍射光束的空间特性。衍射光束的复振幅分布可用库默尔光束或超几何高斯光束的模型来描述。在物理上，在大多数情况下，它的结构是在发散球面波的影响下形成的，发散球面波起源于光束空间轮廓中的不连续性或由全息图的凹槽分叉引起的其衍生物。这种波的存在是由近场衍射光束轮廓中的波纹结构和光束周边处的幂律振幅衰减来体现的。讨论了不激发发散波的条件。衍射光束携带螺旋波前位错（光学涡旋），其阶数等于入射光束方位角指数与全息图赋予的奇异性的拓扑荷的代数和。当上述总和为零时，输入光束的奇异性可以被治愈。在这种情况下，衍射光束可以在中心强度峰值中提供比高斯光束更好的能量集中，高斯光束的初始分布与入射光束的高斯包络重合。应用是可能的产生的光学涡旋光束与规定的属性和分析的光学涡旋光束在信息处理的问题。
2009-08-18 physics.optics
Propagation dynamics of abruptly autofocusing circular Airy-Gaussian vortex beams in the fractional Schrödinger equation
在基于（2+1）维分数阶薛定谔方程的光学系统模型中引入轴对称的艾里-高斯涡旋光束，该光学系统由其Lévy指数（LI）表征.通过数值方法，我们研究了涡旋度从0到4的光束的传输动力学。传播导致突然的自动聚焦，然后是反转（从中心反弹）。结果表明，LI，艾里和高斯因子的相对宽度，和涡度确定的自动聚焦动力学的属性，包括聚焦距离，焦点光斑的半径，和峰值强度在焦点。峰值强度的最大值在LI的中间值处获得，接近LI=1.4。研究了含有分裂双涡旋的Airy-Gaussian光束的自聚焦动力学。
2020-11-14 nlin.PS physics.optics
Experimental Implementation of the Fractional Vortex Hilbert's Hotel
希尔伯特旅馆是一个关于无穷数集合的古老数学悖论。这个悖论涉及新客人在拥有无限多个已占用房间的酒店中的住宿。在过去的十年中，已经有许多尝试在光子系统中实现这些想法。除了这个悖论所吸引的基本兴趣之外，这项研究的动机是希尔伯特酒店对量子通信和传感的影响。在这项工作中，我们实验证明了分数涡希尔伯特的酒店格式提出的G。Gbur [Optica 3，222-225（2016）]。更具体地说，我们使用光的分数轨道角动量进行了干涉实验，以验证希尔伯特的无限旅馆悖论。在我们的实现中，客人在新房间中的重新分配被映射到通过光束的拓扑电荷控制的干涉条纹。
2022-06-23 physics.optics quant-ph
Generation and analysis of fractional Hankel-Bessel vortex beams via computational holography
本文利用计算全息和空间光调制器实验生成分数阶汉克尔-贝塞尔涡旋光束，模拟并验证其强度、相位及传播特性，结果与理论一致，展示了在光学操控、显微、通信和计量等领域的应用潜力。
2023-10-12 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
Vector Vortex Beam Emitter Embedded in a Photonic Chip
矢量涡旋光束同时携带光的自旋和轨道角动量，为现代光学提供了额外的自由度，并为经典和量子信息技术提供了新的资源。固有的无限维度可以被利用来增强数据容量，以维持大数据和互联网流量的前所未有的增长，并且可以被编码以在高维希尔伯特空间中构建量子计算机器。目前，矢量涡旋光束从芯片表面发射到自由空间的研究已经取得了很大的进展，但在光子晶体芯片内部产生矢量涡旋光束的研究还没有实现。在这里，我们展示了第一个矢量涡旋光束发射器嵌入在光子芯片使用飞秒激光直写。我们实现了矢量涡旋光束与高斯光束的转换，转换效率高达30%，标量涡旋光束的转换效率高达74%。我们还提出了一个扩展的耦合模模型来理解模式转换和制造过程中的缺陷的影响。嵌入式产生的方式使得矢量涡旋光束可以直接用于进一步的传输、操纵和发射，而无需任何额外的互连。再加上作为阵列集成的能力，我们的研究结果可能使矢量涡旋光束能够在光子芯片内进行高容量通信和高维量子信息处理。
2020-01-27 physics.optics quant-ph
Arithmetic with spatiotemporal optical vortex of integer and fractional topological charges
Indiana University（印第安纳大学）
提出首个光学信息处理流水线，实现时空拓扑荷（整数和分数）的加减运算，并通过成像光谱分析建立读出方法，为玻色子态计算和信息处理奠定基础。
2026-06-12 physics.data-an physics.optics
Vortex solitons in fractional nonlinear Schrödinger equation with the cubic-quintic nonlinearity
研究了一类分数阶非线性薛定谔方程（NLSE）的涡旋孤子解的存在性和稳定性，该方程具有竞争的五阶非线性项和Lévy指数（分数阶），其值为1 \leq α \leq 2.以数值形式构造了涡度s = 1，2和3的环形涡系族。与通常的二维NLSE（对应于α = 2）不同，在分数阶模型中，VS存在于总功率P的有限阈值之上。针对线性化方程所控制的小扰动，研究了VS解的稳定性，并通过直接模拟进行了证实。不稳定的VS被打破的方位角扰动成几个片段，其数量是由增长最快的本征模的小扰动。对于所有s = 1、2和3，用P定义的稳定区域随着α从1增加到2而扩大，除了s = 2时在1 \leq α \leq 1.3的区间内急剧收缩。
2020-03-31 cond-mat.quant-gas nlin.PS physics.optics
Anomalous diffusion of optical vortices in random wavefields
我们研究了随机波场中光学涡旋或相位奇点的动力学行为，并证明了光学涡旋的反常扩散的直接实验观察。观察到的光学涡旋的次扩散表现出良好的协议与分数布朗运动，高斯过程。反常的是，观察到的涡位移表现出非高斯重尾分布。我们还通过改变光散射介质的粘弹性来调节光涡旋的次扩散和非高斯性的程度。这种复杂的运动的光学涡旋是让人想起的粘弹性环境中的粒子，这表明基于微流变学方法的涡旋跟踪。光学涡旋的分数布朗非高斯次扩散不仅可以提供对相位奇异性动力学的见解，而且有助于理解某些一般物理，包括流体中的涡旋扩散以及布朗和高斯之间的解耦。
2023-03-14 physics.optics
Motion dynamics of two-dimensional fundamental and vortex solitons in the fractional medium with the cubic-quintic nonlinearity
本文系统研究了分数非线性薛定谔方程中立方-五次非线性下二维基态与涡旋孤子的运动动力学，确定了稳定孤子的参数、最大速度及碰撞结果。
2024-02-27 nlin.PS physics.optics
The avalanche instability of the orbital angular momentum in combined vortex beams
提出了一种实时测量复杂波束阵中部分涡旋波束振幅和相位平方的新方法。该方法是基于测量高阶强度矩和分析的线性方程组的解决方案。校准测量表明，至少对于10-15个光束的阵列，测量误差不超过4%。理论和实验结果表明，组合奇异光束的轨道角动量（OAM）基本上取决于分数拓扑荷p.对于整数拓扑荷，OAM的最大值在数值上等于奇异光束的拓扑荷.随着拓扑荷在分数值方向上的弱偏差，轨道矩出现下降。.实验结果表明，即使是很弱的扰动的全息光栅导致急剧增加的部分光束与其他整数阶拓扑电荷的贡献。
2018-12-04 physics.optics
Vortex knots in light
当光束被组合时，通常会出现光学涡旋。最近，我们报道了如何将包含光学涡旋的几束激光束组合在一起，形成嵌入光束中的光学涡旋环，链接和结（Leach等人，2004）。在这里，我们详细描述的实验中，涡环形成这些结构。实验结构遵循Berry和Dennis最初提出的理论模型，光束使用可编程空间光调制器合成，并使用CCD相机成像。
2005-01-11 physics.optics
Orbital Angular Momentum in Noncollinear Second Harmonic Generation by off-axis vortex beams
实验研究了非共线二次谐波过程中光的轨道角动量行为。实验是通过使用I型BBO晶体在相位匹配条件下与飞秒泵浦场在830 nm。使用了两束在基频（FF）下携带分数轨道角动量的镜面离轴涡旋光束。我们分析了当FF中每个输入场的光涡旋偏离光束轴时SH信号的OAM行为。我们得到了SH场的不同空间位形，它们总是带有相同的零角动量。
2011-06-08 physics.optics
Two-dimensional fractional discrete NLS equations: dispersion relations, rogue waves, fundamental and vortex solitons
KLMM, Academy of Mathematics and Systems Science, Chinese Academy of Sciences（中国科学院数学与系统科学研究院）；School of Mathematical Sciences, University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学数学科学学院）；Department of Physical Electronics, School of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Tel Aviv University（特拉维夫大学工程学院电气工程系物理电子学系）；Instituto de Alta Investigación, Universidad de Tarapacá（塔拉帕卡大学高等研究所）
本文提出二维分数非线性薛定谔方程模型，研究了色散关系、rogue波、基元和涡旋孤子的稳定性及生成方法。
2024-12-09 cond-mat.quant-gas math-ph math.MP
Spontaneous symmetry breaking and vortices in a tri-core nonlinear fractional waveguide
本文提出一种三角形结构的三芯线性耦合分数阶波导系统，研究了三重孤子分量间的自发对称性破缺（SSB）现象及涡旋模式的形成与稳定性，发现孤子结构和稳定性由Lévy指数、耦合强度和总能量决定，并探讨了分数阶GVD破坏Galilean不变性对涡旋孤子移动性的影响。
2024-10-16 cond-mat.quant-gas nlin.PS physics.optics
