(44-1) 01 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Вихревой поток энергии в остром фокусе безвихревого поля с круговой поляризацией

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

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, 647 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-582

Страницы: 5-11.

Аннотация:
С помощью формул Ричардса–Вольфа показано, что при острой фокусировке безвихревого поля с осевой симметрией (например, пучка Гаусса или пучка Бесселя–Гаусса нулевого порядка) и круговой поляризацией в фокальной плоскости формируется субволновое фокусное пятно, вокруг которого поток энергии распространяется по спирали. Это объясняется преобразованием круговой поляризации (спиновый угловой момент поля) в орбитальный угловой момент вблизи фокуса, хотя на самой оптической оси орбитальный угловой момент равен нулю. Также показано, что оптический вихрь с топологическим зарядом 2 и линейной поляризацией формирует вблизи фокальной плоскости на оптической оси обратный поток энергии (продольная компонента вектора Пойнтинга на оптической оси отрицательная), сравнимый с прямым потоком.

Ключевые слова:
формулы Ричардса–Вольфа, связь спиновый угловой момент, орбитальный угловой момент, обратный поток энергии, линейная поляризация, круговая поляризация.

Цитирование:
Котляр, В.В. Вихревой поток энергии в остром фокусе безвихревого поля с круговой поляризацией / В.В. Котляр, С.С. Стафеев, А.Г. Налимов // Компьютерная оптика. – 2020. – Т. 44, № 1. – С. 5-11. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-582.

Благодарности:
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 17-19-01186) в части «Теоретическое основание», Российского фонда фундаментальных исследований (грант 18-29-20003) в части «Моделирование» и Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в частях «Введение» и «Заключение».

Литература:
  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Volyar, A.V. Nonparaxial Gausian beams: 1. Vector fields / A.V. Volyar // Technical Physics Letters. – 2000. – Vol. 26, Issue 7. – P. 573-575.
  6. Kotlyar, V.V. Reverse and toroidal flux of light fields with both phase and polarization higher-order singularities in the sharp focus area / V.V. Kotlyar, S.S. Stafeev, A.A. Kovalev // Optics Express. – 2019. – Vol. 27, Issue 12. – P. 16689-16702. – DOI: 10.1364/OE.27.016689.
  7. Kotlyar, V.V. Radial dependence of the angular momentum density of a paraxial optical vortex / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.P. Porfirev // Physical Review A. – 2018. – Vol. 97, Issue 5. – 053833. – DOI: 10.1103/PhysRevA.97.053833.
  8. 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.
  9. Kotlyar, V.V. Energy backflow in the focus of a light beam with phase or polarization singularity / V.V. Kotlyar, S.S. Stafeev, A.G. Nalimov // Physical Review A. – 2019. – Vol. 99, Issue 3. – 033840. – DOI: 10.1103/PhysRevA.99.033840.
  10. Aiello, A. From transverse angular momentum to photonic wheels / A. Aiello, P. Banzer, M. Neugebauer, G. Leuchs // Nature Photonics. – 2015. – Vol. 9. – P. 789-795. – DOI: 10.1038/NPHOTON.2015.203.
  11. Bauer, T. Optical polarization Mobius strips and points of purely transverse spin density / T. Bauer, M. Neugebauer, G. Leuchs, P. Banzer // Physical Review Letters. – 2016. – Vol. 117, Issue 1. – 013601. – DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.013601.
  12. Eismann, J.S. Spin-orbit coupling and the evolution of transverse spin [Electronical Resource] / J.S. Eismann, P. Banzer, M. Neugebauer // arXiv:1905.12539v1 [physics.optics]. – URL: https://arxiv.org/abs/1905.12539 (request date 9.09.2019).
  13. Hao, X. Phase encoding for sharper focus of the azimuthally polarized beam / X. Hao, C. Kuang, T. Wang, X. Liu // Optics Letters. – 2010. – Vol. 35, Issue 23. – P. 3928-3930. – DOI: 10.1364/OL.35.003928.
  14. Qin, F. Shaping a subwavelength needle with ultra-long focal length by focusing azimuthally polarized light // F. Qin, K. Huang, J. Wu, J. Jiao, X. Luo, C. Qiu, M. Hong // Scientific Reports. – 2015. – Vol. 5. – 09977. – DOI: 10.1038/srep09977.
  15. Wang, S. Ultralong pure longitudinal magnetization needle induced by annular vortex binary optics / S. Wang, X. Li, J. Zhou, M. Gu // Optics Letters. – 2014. – Vol. 39. – P. 5022-5025.
  16. Yuan, G.H. Nondiffracting transversally polarized beam / G.H. Yuan, S.B. Wei, X.-C. Yuan // Optics Letters. – 2011. – Vol. 36, Issue 17. – P. 3479-3481. – DOI: 10.1364/OL.36.003479.
  17. Suresh, P. Generation of a strong uniform transversely polarized nondiffracting beam using a high-numerical-aperture lens axicon with a binary phase mask / P. Suresh, C. Mariyal, K.B. Rajesh, T.V.S. Pillai, Z. Jaroszewicz // Applied Optics. – 2013. – Vol. 52, Issue 4. – P. 849-853. – DOI: 10.1364/AO.52.000849.
  18. Anita, G.Th. Effect of coma on tightly focused cylindrically polarized vortex beams / G.Th. Anita, N. Umama­geswari, K. Prabakaran, T.V.S. Pillai, K.B. Rajesh // Optics and Laser Technology. – 2016. – Vol. 76. – P. 1-5. – DOI: 10.1016/j.optlastec.2015.07.002.
  19. Yuan, G.H. Generation of nondiffracting quasi-circular polarization beams using an amplitude modulated phase hologram / G.H. Yuan, S.B. Wei, X.-C. Yuan // Journal of the Optical Society of America A. – 2011. – Vol. 28, Issue 8. – P. 1716-1720. – DOI: 10.1364/JOSAA.28.001716.
  20. Chen, Z. 4Pi focusing of spatially modulated radially polarized vortex beams / Z. Chen, D. Zhao // Optics Letters. – 2012. – Vol. 37, Issue 8. – P. 1286-1288. – DOI: 10.1364/OL.37.001286.
  21. Ndagano, B. Beam quality measure for vector beams / B. Ndagano, H. Sroor, M. McLaren, C. Rosales-Guzmán, A. Forbes // Optics Letters. – 2016. – Vol. 41, Issue 15. – P. 3407-3410. – DOI: 10.1364/OL.41.003407.
  22. Berry, M.V. Optical currents / M.V. Berry // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2009. – Vol. 11. – 094001.
  23. Котляр, В.В. Формирование и фокусировка векторного оптического вихря с помощью металинзы / В.В. Котляр, А.Г. Налимов // Компьютерная оптика. – 2017. – Т. 41, № 5. – С. 645-654. – DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41-5-645-654.
  24. Monteiro, P.B. Angular momentum of focused beams: Beyond the paraxial approximation / P.B. Monteiro, P.A.M. Neto, H.M. Nussenzveig // Physical Review A. – 2009. – Vol. 79. – 033830. – DOI: 10.1103/PhysRevA.79.033830.
  25. 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. – DOI: 10.1098/rspa.1959.0200.
  26. Youngworth, K.S. Focusing of high numerical aperture cylindrical-vector beams / K.S. Youngworth, T.G. Brown // Optics Express. – 2000. – Vol. 7. – P. 77-87.
  27. Bliokh, K.Y. Extraordinary momentum and spin in evanescent waves / K.Y. Bliokh, A.Y. Bekshaev, F. Nori // Nature Communications. – 2014. – Vol. 5. – 3300. – DOI: 10.1038/ncomms4300.
  28. Bekshaev, A. Internal flows and energy circulation in light beams / A. Bekshaev, K.Y. Bliokh, M. Soskin // Journal of Optics. –2011. – Vol. 13, Issue 5. – 053001.

© 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