Nonlinear dielectric geometric-phase metasurface with simultaneous structure and lattice symmetry design
本研究通过银基底上介电超原子阵列，利用结构对称性与晶格对称性不匹配产生广义非线性几何相位，实现高效三次谐波产生与操控，并提出基于线性响应预测非线性几何相位的新策略。
2023-11-13 cond-mat.mes-hall physics.optics
Geometric-phase signature of a structurally chiral dielectric slab with a central phase defect
本研究探究含中心相位缺陷的结构手性介质板的几何相位特征，发现左圆偏振入射下透射波几何相位可显现圆形布拉格区、光谱反射/透射孔特征，可指示相位缺陷类型，且不受结构手性不影响该特征显现。
2024-03-24 physics.optics
Generalized 4 $\times$ 4 Matrix Formalism for Light Propagation in Anisotropic Stratified Media: Study of Surface Phonon Polaritons in Polar Dielectric Heterostructures
本文提出了一种广义的4 $\times$ 4矩阵形式来描述光在双折射分层介质中的传播。与以前的工作相比，我们的算法能够处理任意各向异性或各向同性，吸收或非吸收材料，是免费的不连续的解决方案。我们计算的反射和透射系数，并推导出方程的电场分布的任何数量的层。该算法是容易理解的，并且可以直接在计算机程序中实现。为了证明该方法的能力，我们计算的反射率，电场分布，和色散曲线的表面声子极化激元激发在奥托几何选定的模型系统，在那里我们观察到几个不同的现象，从临界耦合模式分裂，和表面声子极化激元在双曲介质。
2017-07-03 physics.optics
Two-dimensional point spread matrix of layered metal-dielectric imaging elements
我们描述的偏振态的空间分布的变化发生在二维成像通过多层，特别是通过一个分层的金属平面透镜。由于TM和TE偏振的振幅传递函数的差异，入射光的线性或圆偏振不被保留。实际上，表征通过多层的2D成像的传递函数和点扩散函数都具有矩阵形式，并且对于具有线性或圆形入射偏振的空间调制光束观察到交叉偏振耦合。矩阵形式的点扩散函数用于计算不同偏振态下超透镜的分辨率。我们演示了如何使用2D PSF来设计一个简单的衍射纳米元件组成的两个径向狭缝。该结构保证了来自掩模中的两个狭缝的无衍射径向光束的分离，并表现出两个环之间的反向功率流的有趣特性。
2010-12-02 physics.optics
Large-Time-Step Operation in a Volume Integral Equation for Dielectric Scattering
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；Netherlands Organisation for Applied Scientific Research (TNO)（荷兰应用科学研究组织）
该研究针对介质散射的MOT-JVIE求解器，突破CFL条件限制实现16倍大步长操作，采用无矩阵FFT策略解决计算瓶颈，在1560万未知量下使计算成本降低一个数量级以上。
2026-07-31 physics.comp-ph physics.optics
Multipole analysis of substrate-supported dielectric nanoresonator arrays with T-matrix method
Faculty of Physics, University of Warsaw（华沙大学物理学院）
开发了基于T矩阵的通用框架，将耦合多极模型推广到任意高阶多极和基底支撑阵列，分析了基底对无序阵列光学响应的影响，并应用于折射率传感。
2026-06-03 physics.optics
van de Hulst Essay: Geometric-phase portrayal of electromagnetic scattering by a three-dimensional object in free space
The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学）
本文提出利用几何相位图示自由空间中三维物体电磁散射特性，通过分析不同球体的散射特性，展示其在反散射问题中的应用潜力。
2026-02-06 physics.optics
Electromagnetic Energy, Momentum, and Angular Momentum in an Inhomogeneous Linear Dielectric
在先前的工作中，Optics Communications 284（2011）2460- 2465，我们考虑了具有抗反射涂层和由准单色场在法向入射下照射的空间均匀折射率的电介质。利用电磁能量密度和Gordon动量密度的连续性方程，构造了封闭系统的无痕对称能量-动量张量。在这项工作中，我们放宽了条件的均匀折射率，并考虑一个电介质的空间变化的折射率是独立的时间，这基本上是一个机械刚性的电介质由于外部约束。利用能量密度和Gordon动量密度的连续性方程，我们构造了一个对称的能量-动量矩阵，它的四维发散度等于广义Helmholtz力密度四维矢量。假设能量-动量矩阵在时空坐标变换的对称群下具有张量变换性质，我们导出了总能量、动量和角动量的全局守恒律。
2015-02-11 physics.class-ph physics.optics
Generalized Matrix Transformation Formalism for Reflection and Transmission of Complex Optical Waves at a Plane Dielectric Interface
我们描述了一个广义的形式主义，解决复杂的光波在平面介质界面的反射和透射的基本问题。我们的形式涉及广义算子矩阵的应用，以获得反射和透射的平面波场的入射组成平面波场。我们推导出这些矩阵，并通过实现这些矩阵来描述完整的形式主义。这种形式主义，虽然物理上等价于菲涅耳形式主义，但与后者相比，具有更高的数学优雅性和计算效率。我们利用精确的三维表达式的组成平面波矢量和电场的入射，反射和透射波，这使我们能够无缝地分析平面波，傍轴和非傍轴光束，高度发散和紧密聚焦的束场，以及波的杂项波前形状和属性，使用单一的形式主义。精确的电场表达式自动包含了几何相位信息，同时通过使用适当的乘法因子保留了波前曲率信息。我们证明了我们的形式主义，通过获得在模拟高斯光束模型的反射和透射场。最后，我们简要地讨论了我们的广义形式主义是如何能够分析的反射-透射问题的一个非常大的一类复杂的光波-通过参考一些新的作品，从目前的文献作为示例性的情况下。
2020-11-19 physics.comp-ph physics.optics
Silicon metasurfaces for third harmonic geometric phase manipulation and multiplexed holography
非线性波前控制是利用超颖表面实现非线性光学应用的关键要求。非线性频率转换和波前控制的许多方面已经被证明用于等离子体超颖表面。然而，一些缺点限制了它们在非线性纳米光子学中的应用，包括高耗散损耗和低光学损伤阈值。相比之下，已经表明，由高折射率金属构成的超表面可以提供强的非线性响应。尽管最近在使用全介电纳米结构和超颖表面的非线性光学过程中取得了进展，但在直接利用生成过程实现完全波前控制方面取得的进展要少得多。在这里，我们展示了非线性波前控制的三次谐波产生与硅超颖表面。我们使用Pancharatnam-Berry相位方法对纳米结构硅超颖表面上的相位梯度和全息图像进行编码。实验证明了偏振相关的波前控制和编码全息图在三次谐波波长下的高保真再现。此外，我们表明，全息复用是可能的，通过利用三次谐波产生的偏振态。我们的方法简化了设计和制造过程，并铺平了道路，以一个易于使用的工具箱，非线性光学波前控制与全介质超颖表面。
2020-04-08 physics.optics
Casimir-Lifshitz force out of thermal equilibrium between dielectric gratings
我们计算的Casimir-Lifshitz压力在一个系统中，由两个不同的一维介电层光栅具有两个不同的温度和沉浸在一个环境中具有第三个温度。压力的计算是基于使用傅立叶模态方法推导出的散射算子的知识。压力的行为的特点是详细的三个温度的系统，以及两个光栅的几何参数的函数。我们发现，非平衡效应和几何周期性之间的相互作用提供了一个丰富的场景操纵的力量。特别是，我们发现政权的力量可以大大减少大范围的温度。此外，可以获得排斥压力，其特征可以通过控制系统的自由度来调节。值得注意的是，吸引力和排斥力之间的过渡距离可以减少相对于两个平板的情况下，这意味着实验的兴趣，观察排斥。
2014-08-19 physics.optics quant-ph
Propagation-based classification of linear magnetoelectric response in dielectrics
Federal University of Itajubá（伊塔朱巴联邦大学）；University of Cape Town（开普敦大学）；Federal University of São João d’el-Rei（圣若昂德尔雷伊联邦大学）
研究电磁波在具有线性铁电响应的均匀电介质中传播的几何光学近似，推导偏振矢量的eikonal方程并获得归一化相速的四次 dispersion 关系，通过分解铁电矩阵的不同部分分类传播效应。
2026-04-21 physics.optics
Plasmonic angular momentum on metal-dielectric nano-wedges in a sectorial indefinite metamaterial
本文对扇形无限异向介质芯区周期性金属-介质纳米楔结构调制的等离子体角动量进行了解析研究。采用的传输矩阵计算和保角映射技术，我们的理论是能够处理现实的配置任意扇区数和圆角楔形提示。我们证明了在深亚波长区，强电场携带高方位角变化可以存在于靠近结构中心的仅10纳米长度尺度内，并且自然地以距离中心100纳米量级的特征半径为界。这些极端的限制性能表明，在纳米级光子操纵方面，所研究的结构可能优于传统的金属-电介质波导或腔。
2013-09-18 physics.optics
Highly Amplified Light Transmission in Parity-Time Symmetric Multilayered Structure
我们提出了一种奇偶时间对称的介质-纳米膜-介质多层结构，可以促进在红外光谱中的光功率的高度放大的传输。我们已经从理论上研究了我们的模型使用的传输矩阵形式主义。计算了S矩阵的反射系数和透射系数。FDTD数值模拟验证了理论分析的正确性。我们已经展示了层的厚度和有源层的增益/损耗系数如何在S矩阵中产生光谱奇异性，以及如何利用这些奇异性来实现单个波长通过结构的放大传输。
2018-01-03 physics.optics
Mueller matrices for anisotropic metamaterials generated using 4x4 matrix formalism
研究了相对磁导率张量为μ \neq 1的材料的Mueller矩阵分量的正演模型。本文采用4 × 4矩阵形式给出了具有任意晶体对称性和任意实验取向的介电-磁性材料的复反射系数和介电常数的一般解。对于具有可同时对角化的ε和μ张量（主轴重合）的材料的某些取向，Berreman方程的解析解是可用的。对于这些材料的单层薄膜结构，推导了正交或更高晶体对称性的复反射和透射系数的解析公式。分离的磁性和介电贡献的材料的光学性质证明使用测量的MM在不同的入射角。
2010-06-04 physics.optics
Extremely Thin Dielectric Metasurface for Carpet Cloaking
我们展示了一种新的和简单的方法来掩盖一个散射在地平面上。我们使用一个非常薄的介质超颖表面（λ/12）来重塑由散射体扭曲的波前，以模仿平坦地平面的反射图案。为了实现这种地毯式隐身，反射角必须等于散射体上各处的入射角。我们使用渐变超颖表面，并计算所需的相位梯度来实现隐身。我们的超颖表面局部地提供额外的相位波前，以补偿由几何失真引起的光路之间的相位差。我们设计我们的元表面在微波范围内使用高度亚波长介质谐振器。我们验证了我们的设计，全波时域模拟使用微结构谐振器，并表明结果匹配理论非常好。这种方法不仅可以应用于隐藏地平面上的任何散射体在微波频率下，而且还可以应用于更高频率直到近红外。
2015-03-29 physics.optics
A model for chaotic dielectric microresonators
我们建立了一个二维介质谐振器的随机矩阵模型，它结合了内波混沌和确定性菲涅耳定律在界面处的反射和折射。该模型被用来调查的激光阈值和线宽的统计（寿命和彼得曼因子的共振）时，谐振腔中充满了活性介质。激光阈值随折射率$n$的增加而降低，TM偏振态的激光阈值比TE偏振态的激光阈值小，但几乎与外耦合模$N$的数目无关。最长寿命共振的线宽中的Petermann因子也随着$n$的增加而减小，并且随着$\sqrt{N}$而缩放，但是对偏振不太敏感。对于中间寿命的共振，Petermann因子与$N$成线性比例。这些定性的参数依赖性与具有小开口的谐振器的随机矩阵理论一致。然而，对于谐振器非常开放的小折射率，统计的细节变得不通用。这是证明了一个特定的动力学模型的比较。
2007-10-01 nlin.CD 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
Spin-to-orbital angular momentum conversion in dielectric metasurfaces
自旋-轨道角动量转换作为一种产生奇异光束的工具已经引起了相当大的兴趣，导致了实现这一功能的新型器件的出现。这些转换器利用几何相位来创建由入射光的手性确定的旋向性的螺旋光束。由于被称为q板的液晶自旋-轨道角动量转换器（SOC）的演示，这种特性在量子光学中得到了重要的应用。在这里，我们展示了高效率的SOC在可见光的基础上的电介质超颖表面，产生涡旋光束与高，甚至分数拓扑电荷，并显示第一次的同时产生的共线螺旋光束具有不同的和任意的轨道角动量。我们可以预见，这种多功能的方法来创建涡旋光束，它绕过了q板的限制，将显着影响显微镜和矢量光束整形。
2016-05-12 physics.optics
Interplay between the ray and mode effects in electromagnetic behavior of small-size hemielliptic dielectric lenses
为了研究内反射对介质透镜天线辐射特性的影响，数值研究了由不同材料制成的二维小尺寸半椭圆透镜的聚焦和谐振特性。内部制作的算法的几何和物理光学和FDTD的组合的基础上，在这种透镜的行为的光学和模态效应的分析的准确性进行了测试，通过比较使用穆勒边界积分方程得到的精确解。的方法的适用范围进行了讨论。
2010-01-08 physics.class-ph physics.comp-ph physics.optics
Lorentz Resonance in the Homogenization of Plasmonic Crystals
我们解释的洛伦兹共振等离子体激元晶体，包括2D纳米介电夹杂物之间的相互作用的共振材料特性和静电性质的几何共振。这种等离子体激元晶体的一个示例是周期性地布置在非磁性体电介质内的石墨烯纳米片。我们确定的小尺度周期的长度尺度上的局部几何共振。从材料的角度来看，石墨烯表面表现出由Drude模型捕获的分散的表面电导。这些现象共同产生洛伦兹共振，其频率由表面几何形状和表面电导控制。在体元材料的有效介电张量的频率响应中发现的洛伦兹共振被示出由显式公式给出，其中材料性质和几何共振被解耦。该公式是严格的，并且直接从描述异质结构内部的局部静电场的校正场获得。我们的分析结果可以作为一个有效的计算工具来描述一般的周期性光学器件的频率依赖性。作为一个具体的例子，我们研究了两个典型的几何形状组成的纳米管和纳米带。
2021-09-11 math-ph math.MP physics.optics
Two Dimensional Electromagnetic Scattering form Dielectric Objects using Qubit Lattice Algorithm
提出了一种求解二维笛卡尔几何中麦克斯韦方程组的量子比特格点算法。特别地，考虑了电磁脉冲在局部二维介质目标上散射的初值问题。一个矩阵公式的麦克斯韦方程组，使用黎曼-西尔伯斯坦-韦伯向量，形成了基础的QLA和一个可能的酉表示。电磁场在每个网格点使用16量子比特表示进行离散化。离散后的QLA方程在适当的展开参数$ε$下将麦克斯韦方程组近似为二阶方程。散射波的性质取决于将真空与电介质芯分离的过渡层的尺度长度。场的时间演化提供了有趣的物理洞察散射时，传播场被激发内的电介质。此外，模拟表明，QLA恢复麦克斯韦方程组，即使当$ε\sim 1$。
2022-11-08 physics.optics physics.plasm-ph
Nonlocal Scattering Matrix Description of Anisotropic Polar Heterostructures
极性晶体是中红外纳米光子学的一个有前途的平台，允许在晶格振荡中进行纳米级电磁能量约束。我们最近证明，在纳米极性系统的光学响应的局部描述失败，导致错误的预测模式频率和电磁场增强。本文推广了我们以前的工作，提出了平面、各向异性、层状极性介质异质结构的非局域光学响应的散射矩阵理论。我们采用的形式主义允许计算的反射和透射系数，以及导模谱。我们将我们的理论应用于复杂的AlN/GAN超晶格，证明了光子和声子模式之间的杂交所产生的光学响应的强非局域调谐。这些计算的数字代码提供在一个在线存储库中，作为一个工具，设计声子为基础的中红外光电子器件。
2020-08-17 cond-mat.mes-hall physics.optics
A Freeform Dielectric Metasurface Modeling Approach Based on Deep Neural Networks
University of Massachusetts Lowell（马萨诸塞大学洛厄尔分校）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；East China Normal University（华东师范大学）；Lockheed Martin Corporation（洛克希德·马丁公司）；University of Central Florida（中佛罗里达大学）
超表面在成形光学波前方面显示出有前途的潜力，同时与庞大的几何光学器件相比保持紧凑。作为超颖表面的基本构件，超原子的设计依赖于试错法来实现目标电磁响应。这个过程包括表征大量具有不同物理和几何参数的不同元原子设计，这通常需要巨大的计算资源。本文介绍了一种基于深度学习的元表面/元原子建模方法，可以在保持准确性的同时显著缩短表征时间。基于卷积神经网络（CNN）结构，所提出的深度学习网络能够对具有自由形式的2D图案和不同晶格尺寸、材料折射率和厚度的元原子进行建模。此外，所提出的方法具有在毫秒级的时间尺度内预测元原子的宽光谱响应的能力，这使得它对于诸如快速元原子/元表面按需设计和优化的应用具有吸引力。
2020-01-01 cs.LG physics.optics
Theory of strong-field injection and control of photocurrent in dielectrics and wide bandgap semiconductors
本文提出了一种在具有稳定的载波包络相位的非共振超短激光脉冲作用下，宽禁带半导体中光致感应电流的理论。为了描述强场电子动力学，密度矩阵方程与介质内部的宏观电场方程自洽求解，我们用一维势来模拟介质内部的宏观电场。我们提供了一个详细的分析物理上重要的量（带人口，宏观极化，转移电荷），这表明，载波包络相位控制的电流可以解释为量子力学干涉的多光子激发通道的结果。我们的数值计算结果与实验数据吻合得很好。
2013-03-11 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
