(43-5) 02 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Механизм формирования обратного потока энергии в остром фокусе

В.В. Котляр1,2, С.С. Стафеев1,2, А.Г. Налимов1,2, А.А. Ковалёв1,2

1 ИСОИ РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН,  
443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151,
2 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,
443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34

 PDF, 1299 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-5-714-722

Страницы: 714-722.

Аннотация:
Теоретически показано, что в интерференционной картине четырёх плоских волн со специально подобранными направлениями векторов линейной поляризации формируется обратный поток энергии. Области прямого и обратного потока перемежаются в шахматном порядке. Величина обратного потока прямо зависит от угла схождения плоских волн и максимальна при угле схождения, близком к 90°. Правые тройки векторов четырёх плоских волн (волновой вектор с положительной проекцией на оптическую ось и вектора напряжённостей электрического и магнитного полей) при сложении в некоторых областях интерференционной картины формируют электромагнитное поле, описываемое правой тройкой тех же векторов, но волновой вектор имеет отрицательную проекцию на оптическую ось. Также показано, что если в область обратного потока поместить сферическую диэлектрическую рэлеевскую наночастицу, то на неё будет действовать сила, направленная в обратном направлении (при этом рассеивающая сила будет больше градиентной).

Ключевые слова:
обратный поток энергии, интерференция плоских волн, формулы Рачардса – Вольфа, острая фокусировка, цилиндрический векторный пучок.

Цитирование:
Котляр, В.В. Механизм формирования обратного потока энергии в остром фокусе / В.В. Котляр, С.С. Стафеев, А.Г. Налимов, А.А. Ковалёв // Компьютерная оптика. – 2019. – Т. 43, № 5. – С. 714-722. – DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-5-714-722.

Благодарности:
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 17-19-01186) в части «Сила, действующая на наночастицу в обратном потоке», Российского фонда фундаментальных исследований (грант 18-29-20003) в части «Формирование обратного потока на оптической оси в фокусе поляризационного вихря» и Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН (соглашение 007-ГЗ/Ч3363/26) в части «Интерференция четырёх плоских волн с линейной поляризацией».

Литература:
  1. Nye, J.F. Dislocations in wave trains / J.F. Nye, M.V. Berry // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. – 1974. – Vol. 336, Issue 1605. – P. 165-190.
  2. Soskin, M. Singular optics / M. Soskin, M. Vasnetsov. – In: Progress in optics / ed. by E. Wolf. – Elsevier, 2001. – P. 219-276.
  3. Swartzlander Jr, G.A. The optical vortex coronagraph / G.A. Swartzlander Jr. // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2009. – Vol. 11, Issue 9. – 094022.
  4. Gahagan, K.T. Optical vortex trapping of particles / K.T. Gahagan, G.A. Swartzlander // Optics Letters. – 1996. – Vol. 21, Issue 11. – P. 827-829.
  5. Gecevičius, M. Single beam optical vortex tweezers with tunable orbital angular momentum / M. Gecevičius, R. Drevinskas, M. Beresna, P.G. Kazansky // Applied Physics Letters. – 2014. – Vol. 104, Issue 23. – 231110.
  6. Simpson, N.B. Mechanical equivalence of spin and orbital angular momentum of light: an optical spanner / N.B. Simpson, K. Dholakia, L. Allen, M.J. Padgett // Optics Letters. – 1997. – Vol. 22, Issue 1. – P. 52-54.
  7. Volke-Sepulveda, K. Orbital angular momentum of a high-order Bessel light beam / K. Volke-Sepulveda, V. Garcés-Chávez, S. Chávez-Cerda, J. Arlt, K. Dholakia // Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics. – 2002. – Vol. 4, Issue 2. – P. S82-S89.
  8. Thidé, B. Utilization of photon orbital angular momentum in the low-frequency radio domain / B. Thidé, H. Then, J. Sjöholm, K. Palmer, J. Bergman, T.D. Carozzi, Y.N. Istomin, N.H. Ibragimov, R. Khamitova // Physical Review Letters. – 2007. – Vol. 99, Issue 8. – 087701.
  9. Bandyopadhyay, A. Wigner distribution of elliptical quantum optical vortex / A. Bandyopadhyay, R.P. Singh // Optics Communications. – 2011. – Vol. 284, Issue 1. – P. 256-261.
  10. Bandyopadhyay, A. Entanglement of a quantum optical elliptic vortex / A. Bandyopadhyay, S. Prabhakar, R.P. Singh // Physics Letters A. – 2011. – Vol. 375, Issue 19. – P. 1926-1929.
  11. McMorran, B.J. Electron vortex beams with high quanta of orbital angular momentum / B.J. McMorran, A. Agrawal, I.M. Anderson, A.A. Herzing, H.J. Lezec, J.J. McClelland, J. Unguris // Science. – 2011. – Vol. 331, Issue 6014. – P. 192-195.
  12. Kotlyar, V.V. Energy density and energy flux in the focus of an optical vortex: reverse flux of light energy / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.G. Nalimov // Optics Letters. – 2018. – Vol. 43, Issue 12. – P. 2921-2924. – DOI: 10.1364/OL.43.002921.
  13. Kotlyar, V.V. Helical reverse flux of light of a focused optical vortex / V.V. Kotlyar, A.G. Nalimov, A.A. Kovalev // Journal of Optics. – 2018. – Vol. 20, Issue 9. – 095603. – DOI: 10.1088/2040-8986/aad606.
  14. Kotlyar, V.V. Energy backflow in the focus of an optical vortex / V.V. Kotlyar, A.G. Nalimov, S.S. Stafeev // Laser Physics. – 2018. – Vol. 28, Issue 12. – 126203. – DOI: 10.1088/1555-6611/aae02f.
  15. Kotlyar, V.V. Sharp focusing of vector optical vortices using a metalens / V.V. Kotlyar, A.G. Nalimov // Journal of Optics. – 2018. – Vol. 20, Issue 7. – 075101. – DOI: 10.1088/2040-8986/aac4b3.
  16. Richards, B. Electromagnetic diffraction in optical systems. II. Structure of the image field in an aplanatic system / B. Richards, E. Wolf // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. – 1959. – Vol. 253, Issue 1274. – P. 358-379.
  17. Katsenelenbaum, B.Z. What is the direction of the Poynting vector? / B.Z. Katsenelenbaum // Journal of Communications Technology and Electronics. – 1997. – Vol. 42, Issue 2. – P. 119-120.
  18. Karman, G.P. Creation and annigilation of phase singularities in a focal field / G.P. Karman, M.W. Beijersbergen, A. van Duijl, J.P. Woerdman // Optics Letters. – 1997. – Vol. 22, Issue 9. – P. 1503-1505.
  19. Berry, M.V. Wave dislocation reactions in non-paraxial Gaussian beams / M.V. Berry // Journal of Modern Optics. – 1998. –Vol. 45, Issue 9. – P. 1845-1858.
  20. Volyar, A.V. Nonparaxial Gausian beams: I. Vector fields / A.V. Volyar // Technical Physics Letters. – 2000. – Vol. 26, Issue 7. – P. 573-575.
  21. Volyar, A.V. The structure of a nonparaxial Gaussian beam near the focus: II. Optical vortices / A.V. Volyar, V.G. Shvedov, T.A. Fadeeva // Optics and Spectroscopy. – 2001. – Vol. 90, Issue 1. – P. 93-100.
  22. Vasnetsov, M.V. Wave front motion in the vicinity of a phase dislocation: optical vortex / M.V. Vasnetsov, V.N. Gorshkov, I.G. Marienko, M.S. Soskin // Optics and Spectroscopy. – 2000. – Vol. 88, Issue 2. – P. 260-265.
  23. Novitsky, A.V. Negative propagation of vector Bessel beams / A.V. Novitsky, D.V. Novitsky // Journal of the Optical Society of America A. – 2007. – Vol. 24, Issue 9. – P. 2844-2849.
  24. Sukhov, S. On the concept of “tractor beams” / S. Sukhov, A. Dogariu // Optics Letters. – 2010. – Vol. 35, Issue 22. – P. 3847-3849.
  25. Qiu, C.W. Engineering light-mater interaction for emerging optical manipulation applications / C.W. Qiu, D. Palima, A. Novitsky, D. Gao, W. Ding, S.V. Zhukovsky, J. Gluckstad // Nanophotonics. – 2014. – Vol. 3, Issue 3. – P. 181-201.
  26. Mitri, F.G. Reverse propagation and negative angular momentum density flux of an optical nondiffracting nonparaxial fractional Bessel vortex beam of progressive waves / F.G. Mitri // Journal of the Optical Society of America A. – 2016. – Vol. 33, Issue 9. – P. 1661-1667.
  27. Salem, M.A. Energy flow characteristics of vector X-waves / M.A. Salem, H. Bağcı // Optics Express. – 2011. – Vol. 19, Issue 9. – P. 8526-8532.
  28. Vaveliuk, P. Negative propagation effect in nonparaxial Airy beams / P. Vaveliuk, O. Martinez-Matos // Optics Express. – 2012. – Vol. 20, Issue 24. – P. 26913-26921.
  29. Rondón-Ojeda, I. Properties of the Poynting vector for invariant beams: Negative propagation in Weber beams / I. Rondón-Ojeda, F. Soto-Eguibar // Wave Motion. – 2018. – Vol. 78. – P. 176-184.
  30. Berry, M.V. Quantum backflow, negative kinetic energy, and optical retro-propagation / M.V. Berry // Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical. – 2010. – Vol. 43, Issue 41. – 415302.
  31. Irvine, W.T.M. Linked and knotted beams of light / W.T.M. Irvine, D. Bouwmeester // Nature Physics. – 2008. – Vol. 4, Issue 9. – P. 716-720.
  32. Sugic, D. Singular knot bundle in light / D. Sugic, M.R. Dennis // Journal of the Optical Society of America A. – 2018. – Vol. 35, Issue 12. – P. 1987-1999.
  33. Larocque, H. Reconstructing the topology of optical polarization knots / H. Larocque, D. Sugic, D. Mortimer, A.J. Taylor, R. Fickler, R.W. Boyd, M.R. Dennis, E. Karimi // Nature Physics. – 2018. – Vol. 14, Issue 11. – P. 1079-1082.
  34. Harada, Y. Radiation forces on a dielectric sphere in the Rayleigh scattering regime / Y. Harada, T. Asakura // Optics Communications. – 1996. – Vol. 124, Issue 5-6. – P. 529-541.

 

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20