与传统的仅能生成光轴方向的球形聚焦光斑不同，本文提出了一种在4Pi聚焦系统中通过反聚焦偶极子天线辐射场产生具有规定空间方向和间距的球形聚焦光斑的方法。该方法是将规定好长度和极化方向的空间偶极子天线置于4Pi聚集系统的焦点处，通过逆问题解析求解出生成球形聚焦光斑的物镜瞳孔面上的输入场。然后使用瞳孔面处的场，并选择合适的偶极子天线长度，就能获得球形聚焦光斑。数值结果表明，创建的球形聚焦光斑的空间方向与设置的偶极子天线的极化方向一致，球形聚焦光斑之间的距离也等于偶极子天线的长度。本文提出的方法比传统方法更灵活，可以创建具有规定空间位置的球形聚焦光斑，这对空间任意位置捕获纳米粒子具有很大的应用价值。
物理光学 球形聚焦光斑 偶极子天线 4Pi聚焦系统 光学学报
2024, 44(10): 1026033
武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430065
为探究近红外波段下气溶胶粒子的散射特性，基于离散偶极子近似法，对黑碳和硫酸盐气溶胶内混合核壳结构粒子及同种气溶胶粒子的2种假设结构的光学散射特性进行研究。编译构建以黑碳为核、硫酸铵为壳的核壳结构粒子模型，模拟计算特定入射方向的入射波长（875、1020、1640、2000 nm）下粒子的消光效率因子、散射效率因子、吸收效率因子、不对称因子及单次散射反照率随有效粒径的变化。数值计算结果表明：在同一入射波长下，随着有效粒径的增大，单核核壳粒子、二核团簇粒子、三核团簇粒子的消光、散射、吸收效率因子主要呈先增后减趋势，且3种粒子的散射、消光效率因子相差不超过10%。随着核粒子数增加，粒子结构半径增大，效率因子峰值后移。在4个波长下，多核团簇粒子的不对称因子平均比单核核壳粒子大0.1777、0.1960、0.2900和0.3131，而2种多核粒子的不对称因子平均仅相差0.096。在有效粒径相同的情况下，单核核壳粒子的单次散射反照率基本高于多核粒子，波长越大差异越明显。该研究结果可对复杂大气环境下气溶胶粒子的光学散射特性、污染物及气候效应监测等领域的分析提供一定的参考价值。
红外波段 气溶胶粒子 核壳粒子 离散偶极子近似法 散射与吸收 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0529001
Author Affiliations
Abstract
School of Information and Control Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China
Toroidal multipole is a special current distribution that has many different characteristics from electric multipole and magnetic multipole distributions. Because of its special properties, the toroidal dipole is a research hotspot in the field of metamaterials and nanophotonics. However, the low scattering of the toroidal dipole moment makes its excitation a challenging task. At present, there are relatively few studies on its specific engineering applications. In this paper, by slotting in the rectangular cavity, the excitation of an equivalent toroidal dipole is successfully achieved over a wide frequency range of 53–58 GHz. Results indicate that under the action of the toroidal dipole, the mode electromagnetic waves transmitted in the rectangular waveguide are converted into vector beams and are radiated outwards. Further adjusting the spatial distribution of the magnetic dipoles in the toroidal dipoles yields results that indicate that the resonance mode in the slot is still dominated by the magnetic toroidal dipole moment, and the electromagnetic waves radiating outward are vortex beams carrying vector polarization. The scattered energy of each dipole moment inside the antenna is calculated. This calculation verifies that the mass of the vector beam and vector vortex beam is closely related to the toroidal dipole supported by this antenna. The proposed structure can be applied to explorations in vortex filtering, in photon entanglement, and in the photonic spin Hall effect.
toroidal dipole vector beams vector vortex beams Chinese Optics Letters
2024, 22(1): 011601
Author Affiliations
Abstract
1 School of Science, Jiangsu Provincial Research Center of Light Industrial Optoelectronic Engineering and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
2 State Key Laboratory of Millimeter Waves, Southeast University, Nanjing 210096, China
High-quality-factor (high-Q-factor) electromagnetic resonance plays an important role in sensor applications. Previously proposed gas refractive index sensors are often limited by the large cavity length or microscale fabrication process in practical applications. Recently, ultra-high Q factor resonance based on the bound state in the continuum (BIC) has provided a feasible approach to solve these problems. In this paper, we propose a metasurface structure consisting of a single size tetramer cylinder. It supports dual band toroidal dipole (TD) resonances driven by BIC. The physical mechanism of double TD resonances is clarified by the multipole decomposition of the metasurface band structure and far-field scattering power. The sensor structure based on this achieves a sensitivity of 518.3 MHz/RIU, and the maximum line width does not exceed 680 kHz. The high-Q-factor electromagnetic resonance has the advantages of polarization independence and simplicity to manufacture. These findings will open up an avenue to develop the ultrasensitive sensor in the gigahertz regime.
Metasurfaces bound state in the continuum toroidal dipole Photonic Sensors
2023, 13(2): 230232
1 中国科学院上海应用物理研究所上海 201800
2 中国科学院大学北京 101408
3 中国科学院上海高等研究院上海 201204
4 上海市低温超导高频腔技术重点实验室上海 201800
5 上海科技大学上海 201210
射频四极场加速器（Radio Frequency Quadrupole，RFQ）广泛应用于质子加速器装置中，高频率、紧凑型RFQ的发展可以推动质子加速器装置的小型化，同时也面临调谐困难的问题。紧凑型RFQ的性能对腔体尺寸的敏感度高，基于理论物理特性的传统调谐算法难以取得良好效果，而基于腔体实际物理特性的调谐算法则可以解决紧凑型RFQ的调谐难点。本文提出了一种基于响应矩阵和最小二乘法的调谐算法，该算法可以限定求解的范围，避免计算结果超出调谐器可调谐范围的问题；为二极场分量赋予权重，可以高效地降低二极场误差，解决二极场分量难以调谐的问题。根据新的调谐算法分别在模拟环境下的RFQ样机上完成了调谐实验，在搭建的测量平台获得的结果显示：初始状态下二、四极场误差分别为24.09%和1.57%，经过5次调谐后两者误差分别降为2.33%和1.39%，验证了调谐算法的有效性。该调谐算法具有普适性，也可以用于其他频率的RFQ，将来还可以促进质子加速器装置的小型化，推动医用质子装置的普及。
RFQ 调谐 二极场误差 RFQ Tuning Dipole component errors
重庆科技学院数理与大数据学院, 重庆 401331
伴随高超音速飞行器、 无接触诊断等技术的快速发展, 更多分子谱带被激发, 对高温高压下的振转光谱数据需求急剧增加, 加之高灵敏、 高分辨激光光腔衰荡(CRDS)、 可调谐半导体激光吸收(TDLAS)等光谱技术的快速进步, 相应分子的振转光谱研究被进一步推进。 CO作为高温燃烧的重要产物, 对其研究首当其冲。 首先利用实验决定的(ν＜41) 12C16O基态 Dunham参数, 通过Rydberg-Klein-Rees(RKR)方法, 反演出分子平衡核间距附近的局域离散势能点; 接着将其拟合到十多个常见的解析势能函数(PEF), 发现SPF和Morse函数具有较好的拟合精度, 但在长程上依然不符合物理要求; 在此基础上结合实验获得的解离能对长程进行校正, 构建了一个全新的、 半经验、 全局、 解析势函数Revised-Morse, 并通过多参考组态相互作用理论(MRCI)确认了其合理性, 该函数既能精确再现低振动态能级, 也能合理预测未知高振动态能级, 且具有精确的解离极限。 接着通过multireference averaged coupled-pair functional(ACPF)理论方法结合差分技术, 得到了三种电场下12C16O基态(ν＜63)的偶极矩面(DMs)。 基于构建的Revised-Morse势函数和DMs, 通过求解一维薛定谔方程得到了直到解离极限的振转能级, 计算结果与文献值十分吻合, 表明Revised-Morse函数是十分可靠的。 基于此得到了常温下所有的跃迁谱线位置, ν＜63时的爱因斯坦系数、 谱线强度等光谱数据, 计算值与HITRAN数据库中的结果几乎完全一致, 同时振动跃迁偶极矩、 辐射寿命、 离心畸变等光谱常数也被一并获取。 该研究不仅完美再现了已知谱带, 还预期了几十万条新的跃迁谱线, 一些新的光谱参数也被报道, 可为光谱探测提供参考。 为建立基于12C16O的测温模型, 继续考察了温度直到9 000 K的配分函数, 模拟了不同温度下的振转光谱, 以20 000 cm-1(对数坐标)以下和ν0-1带(线性坐标)的线状谱图为示例说明了谱线随温度的变化情况, 并提出了几种可能的测温方案线索。 最后考察了压强对振转谱线的影响。
半经验全局解析势函数 偶极矩面 振转光谱 温度效应 压强效应 12C16O 12C16O RKR RKR Semi-empirical global analytical potential energy Dipole moment surface Ro-vibration spectrum Temperature effects Pressure effects 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3380
1 华北电力大学数理学院，北京 102206
2 华北电力大学核科学与工程学院，北京 102206
3 河北省物理学与能源技术重点实验室，河北 保定 071000
采用量子化的密度矩阵理论，对级联三能级原子束在具有不同径向阶次的柱对称拉盖尔-高斯（LG）型飞秒脉冲激光场中所受的光学势和光学偶极力（ODF）进行研究。结果表明：在飞秒脉冲激光场中，ODF的大小以两倍于激光载波频率的频率作周期性振荡；在n阶径向模式的LG型激光场作用下，径向偶极力具有2n个节线圆，在节线圆的两侧偶极力方向相反，因此原子将发生分束，从而被俘获到不同的光势阱内；在负/正激光场失谐条件下，形成n+1个光学势阱/垒数；在相同光场峰值强度下，随着光束径向阶次n的增大，主势阱/垒的深度保持不变，但主势阱/垒的空间范围变窄，光学势的径向梯度增加，从而使得ODF增大。因此，采用高阶LG光束可以将粒子束缚在更窄的光学势内，更有利于粒子的精准操控和俘获。
量子光学 光学偶极力 光学势 拉盖尔-高斯激光脉冲 级联三能级原子体系 密度矩阵方程 光学学报
2023, 43(19): 1927001
南方科技大学工学院电子与电气工程系，广东 深圳 518055
基于连续域内束缚态（BIC）的超表面具备在时间和空间上实现高效光场调控的能力。在时间维度上，BIC理论上可实现无穷长的辐射光子寿命，因此在激光谐振腔、非线性光学、传感等领域展现了极好的应用价值。为深入理解BIC及衍生谐振特性，基于双开口金属谐振器构成的杂化BIC超表面，探讨由于能带折叠引起的折叠谐振与准BIC谐振之间的特性。利用数值模拟、多极子分析和太赫兹光谱实验验证环形偶极子在这两类谐振辐射特性中的重要作用。此外，通过对比两种不同能带折叠方式的超晶格，进一步确认环形偶极子对折叠谐振品质因数的调制特性。深入理解谐振中多极子的散射特性对获取高品质因数谐振腔具有重要作用，为切实推动超表面在太赫兹传感、调制器和非线性相互作用等领域的应用奠定理论基础。
连续域束缚态 环形偶极子 超表面 多极子分析 太赫兹 激光与光电子学进展
2023, 60(18): 1811021
