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Mathematical optics Structured light : physical and geometrical properties

Structured light : physical and geometrical properties

Principal investigator : Miguel A. Alonso

Keywords : structured light, propagation-invariant beams, birefringence, geometric phase, nonparaxial light, spin-orbit interaction, Mie scattering.


This work involves the study of optical fields whose spatial and/or temporal structure in amplitude, phase and/or polarization is tailored to present a specific set of properties. One such class of fields are the “propagation-invariant beams”, whose intensity profile is preserved under propagation up to a rigid transformation. These beams have been used in applications such as imaging with enhanced depth of focus, light-sheet microscopy, optical trapping, and nanofabrication. However, they are also interesting from a geometrical/mathematical point of view, and they often provide interesting analogies with phenomena in other areas of physics. In particular, the use of the ray model reveals otherwise hidden geometric constraints that rule the spatial structure of these beams.

Other areas of study include : paraxial and nonparaxial fields with interesting polarization distributions, as well as birefringent optical elements that can be used to generate these fields ; the theoretical description of such birefringence elements and the concept of geometric phase ; the interaction of polarization with intensity and orbital angular momentum for nonparaxial fields (spin-orbit interaction) ; nonparaxial closed-form solutions to Maxwell’s equations and their use to study the interaction of focused fields with spherical scatterers.

Publications

2023
Exactly solvable model behind Bose-Hubbard dimers, Ince-Gauss beams, and aberrated optical cavities
R. Gutierrez-Cuevas, D.H.J. O’Dell, M.R. Dennis, and M.A. Alonso
Phys. Rev. A 107, L031502 (2023)
2022
Space-time wave packets localized in all dimensions
M. Yessenov, J. Free, Z. Chen, E.G. Johnson, M.P. Lavery, M.A. Alonso, and A.F. Abouraddy
Nature Comm. 13, 4573 (2022)
Observation of polarization singularities and topological textures in sound waves
R.D. Muelas-Hurtado, K. Volke-Sepulveda, J.L. Ealo, F. Nori, M.A. Alonso, K.Y. Bliokh, E. Brasselet
Phys. Rev. Lett. 129, 204301 (2022)
2021
Transverse shifts and time delays of spatiotemporal vortex pulses reflected and refracted at a planar interface
M. Mazanov, D. Sugic, M.A. Alonso, F. Nori, and K.Y. Bliokh
Nanophotonics 10, 20210294 (2021)
Polarization singularities and Möbius strips in sound and water-surface waves
K.Y. Bliokh, M.A. Alonso, D. Sugic, M. Perrin, F. Nori, and E. Brasselet
Phys. Fluids 33, 077122 (2021)
Optical polarization skyrmionic fields in free space
R. Gutiérrez-Cuevas and E. Pisanty
J. Opt 23, 024004 (2021)
Analytic treatment of nonparaxial full-Poincaré fields : singularity structure and trapping properties
R. Gutiérrez-Cuevas and M.A. Alonso
J. Opt. 23, 024005 (2021)
2020
Platonic Gauss beams : wave and ray treatment
R. Gutiérrez-Cuevas and M.A. Alonso
Opt. Lett. 45, 6759-5762 (2020)
Modal Majorana sphere and hidden symmetries of structured Gaussian beams
R. Gutiérrez-Cuevas, S.A. Wadood, A.N. Vamivakas and M.A. Alonso
Phys. Rev. Lett. 125, 123093 (2020)
Shaping caustics into propagation-invariant light
A. Zannotti, C. Denz, M.A. Alonso and M.R. Dennis
Nature Commun. 11, 3597 (2020)

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