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World File Search System高斯光束
由 1 kHz 钛宝石激光脉冲泵浦的光参量放大器的高转换效率，可产生可调谐的高次谐波
摘要：我们报告称，通过将市售的 Ti：Sapphire 飞秒、1 kHz 激光系统与光参量放大器 (OPA) 相结合，实现了近 50% 的高转换效率。对于 1 kHz 和 35 fs 持续时间的 2.2 mJ/脉冲的输入能量，在信号波长为 1310 nm 时，信号加上闲置脉冲的总 OPA 输出能量为 1.09 mJ/脉冲。我们发现，由于 OPA 中的高增益饱和，输出光束轮廓几乎是平顶的。利用信号脉冲，我们在气体中产生高次谐波，并测量从氩气中电离的光电子的速度图图像与信号波长的关系。我们观察到，在高次谐波光子能量的特定范围内，在低动能区域观察到四倍光电子角结构。我们的结果表明，具有高转换效率OPA和超高斯光束轮廓的输出脉冲可用于需要在极紫外区域产生可调谐高次谐波的实验。
石墨烯等离子体消色差片上聚焦用于宽带数字光信号的空间反转
摘要：渐变折射率透镜中的等离子体片上聚焦对于深亚波长纳米级的成像、光刻、信号处理和光互连具有重要意义。然而，由于等离子体材料固有的强波长色散，等离子体片上聚焦存在严重的色差。利用成熟的平面介质光栅，提出了一种渐变折射率波导阵列透镜（GIWAL），以支持声学石墨烯等离子体极化激元（AGPP）的激发和传播，并实现 AGPP 在 10 至 20 THz 频带内焦点小至约工作波长的 2% 的消色差片上聚焦，得益于 GIWAL 与波长无关的折射率分布。提出了一种理论分析方法，以理解 AGPP 的片上聚焦以及其他光束演化行为，例如高斯光束的自聚焦、自准直和钟摆效应以及数字光信号的空间反转。此外，还展示了 GIWAL 反转空间宽带数字光信号的可能性，表明了 GIWAL 在宽带数字通信和信号处理中的潜在价值。
![arXiv:2303.07032v2 [quant-ph] 2024 年 3 月 8 日](/simg/g:\will\search\icon\source\1\1283ae2309f857fb79f8cccaf49afe4bb71331cf.png)
arXiv:2303.07032v2 [quant-ph] 2024 年 3 月 8 日
量子算法可以潜在地突破计算困难问题的界限。光束传播算法是现代光学的基石之一，它有助于计算具有特定色散关系的波在时间和空间中如何传播。该算法通过傅里叶变换、与传递函数相乘以及随后的反变换来求解波传播方程。该传递函数由相应的色散关系确定，通常可以展开为多项式。在自由空间中的近轴波传播或皮秒脉冲传播的情况下，该展开式可以在二次项后截断。波传播的经典解需要 O ( NlogN ) 个计算步骤，其中 N 是波函数离散化的点数。在这里，我们表明传播可以作为具有 O ( ( logN ) 2 ) 个单控相位门的量子算法来执行，表明计算复杂度呈指数级降低。我们在此演示了这种量子光束传播方法 (QBPM)，并在双缝实验和高斯光束传播的一维和二维系统中进行了这种传播。我们强调了选择合适的可观测量的重要性，以便在量子测量过程的统计性质下保持量子优势，这会导致经典解决方案中不存在的采样误差。
采用多平面光转换的超宽带偏振不敏感光学混合器
众所周知，光混合器 [1] 是光通信相干接收器中的关键组件。它可以采用多种技术构建，包括光纤、硅光子学和偏振光学 [2-5]。扩展可用带宽以匹配光电探测器的整个范围可以实现新的应用，例如相干光谱 [6]、光纤传感 [7]、光检测和测距 (LiDAR) [8]，以及生物医学传感和成像 [9]，例如光学相干断层扫描 (OCT) [10]。在迄今为止报道的制备的混合器中，最大的带宽为 120 nm，约为 1550 nm，这是因为如果不进行主动调整就难以获得精确的 90° 相移 [11-13]。多平面光转换 (MPLC) 是一种多输入、多输出光束重塑技术，由一系列由自由空间传播分隔的相位掩模组成 [14, 15]，因此可以产生具有 2 个输入和 4 个输出的光混合器。图 1 显示了由 14 个光滑相位掩模板和一个金镜组成的多反射腔中形成的光学混合器的示意图。输入由微透镜准直的单模光纤阵列馈送，输出是四束高斯光束，这些光束与类似的光纤准直器阵列模式匹配，或者可以在自由空间光电探测器上检测到。
采用光子曲面微镜的平面自由空间光束耦合的临界分析
摘要。详细分析了使用平面和曲面光子微机电系统镜进行高斯光束的自由空间耦合。分析了理论背景和非理想效应，例如有限的微镜范围、球面微镜曲率不对称、轴未对准和微镜表面不规则。使用推导的公式从理论和实验上研究和比较平面（一维）、圆柱形（二维）和球面（三维）微镜的行为。分析重点关注曲面微镜曲率半径与入射光束瑞利范围相当的尺寸范围，也对应于参考光斑尺寸。考虑到可能的非理想性，推导出基于传输矩阵的场和功率耦合系数，用于一般微光学系统，其中考虑了微系统切向和矢状平面中的不同矩阵参数。结果以归一化量的形式呈现，因此研究结果具有普遍性，可应用于不同情况。此外，还制造了形状可控的硅微镜，并用于实验分析可见光和近红外波长的耦合效率。© 作者。由 SPIE 根据 Creative Commons Attribution 4.0 International 许可证出版。分发或复制本作品的全部或部分内容需要完全注明原始出版物，包括其 DOI。[DOI：10.1117/1.JOM.2.3.034001]
f或引用Adam I.A.，Yashin D.A.，Kargina D.A.，Nasedkin B.A.自由空间QKD中高斯和涡流梁与tur>中的相位编码的比较
量子密钥分布（QKD）是通信技术的新方向。QKD建立了两个当事方（通常称为Alice和Bob）之间的安全连接，其中量子力学定律提供了有目的的通道的可靠性，其中最重要的是无关定理[1]。从长远来看，QKD基于计算数学函数的复杂性，QKD比常见的密码系统提供了更安全的连接。第一个提出的方案是BB84 [2]，其中秘密键是通过使用两个正交光子极化碱基来生成的。从那时起，研究了许多方案和实验方案以改善QKD系统的参数并扩大其应用的可能性[3]。尤其是，自由空间QKD由于其灵活性和移动性而积极开发，可用于移动设备[4]，卫星通信[5]和物联网（IoT）[6]。与光纤纤维相比，自由空间QKD尚未在商业系统中广泛使用。这些系统的主要局限性是高斯光束偏离由大气湍流和天气条件引起的原始传播方向的偏差。为解决此问题，目前使用了具有较大入口或特殊校正系统的伸缩系统，这增加了QKD系统的复杂性，重量和成本。作为梁偏差补偿的另一种方法，可以使用光涡旋，根据许多研究[7，8]，在湍流气氛中更稳定。这些问题将在本文中探讨。光涡流或具有轨道角动量（OAM）的光辐射在其中心具有空间奇异性，相位保持不确定，并且沿着梁的内边缘从0到2π不等[9]。这些过渡的数量对应于涡旋的拓扑电荷。目前，已经在QKD系统中研究了涡流束，特别是作为编码信息的基础[10]和相对于轨道动量的通道[11]。但是，在自由空间QKD中具有湍流气氛的高斯和涡流梁的传播及其对此类系统参数的影响之间没有比较。此外，没有对相位调节保存进行的实验研究，并对涡流束进行了额外的调节和解调，这对于将大气通道与光学纤维有效整合是必不可少的。
超音速的计算和实验研究...
本研究涉及光束-目标相互作用模拟的开发和验证，以确定给定目标几何形状、表面辐射强度和自由流条件的目标温度分布随时间的变化。通过数值和实验研究了湍流超音速流动的影响。实验在弗吉尼亚理工大学超音速风洞中进行，喷嘴速度为 4 马赫，环境总温度，总压力为 1。1 × 10 6 Pa，雷诺数为 5 × 10 7 / m。目标由涂成平黑色的 6.35 毫米不锈钢板组成。用 300 瓦连续光束镱光纤激光器照射目标，产生 4 毫米高斯光束，光束直径为 1.08 微米，距前缘 10 厘米，其中存在 4 毫米湍流边界层。吸收的激光功率为 65、81、101、120 瓦，最大热通量在 1035 至 1910 W/cm2 之间。使用中波红外摄像机测量目标表面和背面温度。还使用八个 K 型热电偶测量背面温度。进行了两次测试，一次是流动，另一次是流动。对于流动情况，隧道启动后开启激光器，流动达到稳定状态。对于流出情况，板以相同功率加热，但没有超音速流动。通过从流出温度中减去流动温度可以看到冷却效果。此温度减法有助于消除偏差误差，从而显着降低整体不确定性。使用 GASP 共轭传热算法模拟 81 和 65 瓦的实验。大多数计算都是使用 Spalart-Allmaras 湍流模型在 280、320 单元网格上进行的。进行了网格收敛研究。与 65 瓦的情况相比，81 瓦的情况显示出更多的不对称性，并且在上游发现了一个冷却增加的区域。通过热电偶和红外温度测量也可以看到背面的不对称性增加。对于流出的情况，计算低估了表面温度 7%。对于 65 瓦和 81 瓦的情况，靠近中心的表面冷却都被低估了。对于所有功率设置，对流冷却都会显著增加达到给定温度所需的时间。
利用涡旋光束进行轴向超定位
辨别活细胞、组织和材料的纳米级细节对许多现代研究工作至关重要。随着一组方法的出现，开辟了一条通往这一圣杯的道路，这些方法被统称为超分辨率显微镜 [ 1 , 2 ]，能够突破衍射极限 [ 3 – 5 ]：传统上被认为是无法逾越的障碍。许多此类技术还可以揭示三维 (3D) 结构细节：相关示例包括受激发射损耗显微镜 [ 6 ]、PSF 工程 [ 8 – 12 ]、光激活定位显微镜 [ 7 ] 和多平面检测 [ 13 – 15 ]，这只是其中的一部分。所有这些技术都依赖于非常精确的点源定位；它们的不同之处在于如何激发点物体以及如何收集相应发射的光子。对于 3D 成像，发射器经过荧光标记，确定其轴向位置是必不可少的一步。迄今为止，该问题已得到彻底研究，并已取得一些令人印象深刻的成果 [16]。但直到最近才开始考虑通过任何此类工程方法实现的基本深度精度 [17-19]。其背后的原理是系统地利用量子 Fisher 信息 (QFI) [20] 和相关量子 Cram´er-Rao 边界 (QCRB) 来获得与测量无关的极限 [21,22]。这与 Tsang 等人量化横向两点分辨率 [23-27] 的工作非常相似，后者已消除了瑞利诅咒 [28-31]。在最近的一项研究 [32] 中，已经确定了使用高斯光束的轴向定位的极限精度。只要将检测平面放置在一个最佳位置，只需一次强度扫描即可达到此极限。在本文中，我们概括了这些结果，并推导出拉盖尔-高斯 (LG) 光束轴向定位的量子极限，该光束携带量化的轨道角动量 [33]。在这里，光束腰充当点源在模式转换等之后发射的光的实现。另一个相关情况是在表面拓扑测量等中光束从表面的反射。通过线性叠加不同的 LG 模式，可以实现具有幅度、相位和强度模式的光束，这些光束在自由空间传播下简单旋转，保持横向形状。这些旋转结构是各种传感技术的核心 [34-37]。我们证明，强度扫描中只能获得全部（量子）信息的一小部分，其中只有一小部分可以归因于旋转。这清楚地证实了模式
高频真空电子器件
毫米波和太赫兹频率的真空电子器件在现代高数据速率和宽带通信系统、高分辨率检测和成像、医学诊断、磁约束核聚变等领域发挥着重要作用。由于电子在真空介质中运动速度快，与现有的其他辐射源（如固态器件）相比，它们具有高功率、高效率以及紧凑性的优势。我们设立“高频真空电子器件”专刊的目的是加强有关这些器件的理论、设计、仿真、工艺和开发的研究信息的交流，促进它们的应用，并吸引年轻的研究人员和工程师进入这个重要领域，这是现代电子科学和信息技术的重要组成部分。真空电子射频功率器件有很多种，包括线束器件、交叉场器件和快波器件。在高达太赫兹的高频范围内，速调管、行波管、波谷振荡管和回旋管因其高功率或宽瞬时或调谐带宽而受到广泛研究。为了在毫米波和太赫兹频率下获得高质量的性能，过去十年中出现了新的技术和工艺，包括使用 MEMS 和 3D 打印的微加工、用于窗口和衰减器的新型金刚石相关材料。同时，人们还研究了新的慢波结构和谐振结构，如超结构、高阶模式操作和片状电子束，用于获得高功率；杂散抑制；并降低制造难度，特别是在高频范围内。阴极、电子枪、I/O 结构、磁聚焦系统和收集器等器件零部件的革命性技术在高频真空电子器件的发展中发挥了关键作用。本期特刊包含 15 篇论文，涵盖了广泛的主题，涉及频率范围高达 340 GHz 的高频真空设备的设计、仿真、制造和测试，以及包括回旋管、TWT 和 EIK 在内的设备，以及波束形成和限制阴极、慢波结构和模式转换器等。高频回旋管是动态核极化核磁共振 (DNP-NMR) 应用的核心设备，可显着提高医疗系统和科学研究中高场 NMR 的灵敏度和分辨率。北京大学论文[1]《330 GHz/500 MHz DNP-NMR应用的线性偏振高纯度高斯光束整形与耦合》提出了用于330 GHz/500 MHz DNP-NMR系统的波纹TE11-HE11模式转换器和三端口定向耦合器的设计与计算。模式转换器的输出模式呈现出高度