(44-6) 01 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Экспериментальное исследование обратного потока энергии в фокусе
В.В. Котляр 1,2, С.С. Стафеев 1,2, А.Г. Налимов 1,2, А.А. Ковалев 1,2, А.П. Порфирьев 1,2

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, 1355 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-763

Страницы: 863-870.

Аннотация:
С помощью двух одинаковых микрообъективов с числовой апертурой 0,95 было экспериментально показано, что интенсивность на оптической оси в плоскости фокуса оптического вихря с топологическим зарядом 2 равна нулю для света с правой круговой поляризацией и ненулевая для света с левой круговой поляризацией. Подтверждением того, что в последнем случае на оптической оси существует обратный поток энергии, является наличие в центре измеренного потока энергии слабого локального максимума (пятна Араго), объясняемого дифракцией прямого потока энергии на круге диаметром 300 нм (соответствует диаметру трубки обратного потока энергии). Сравнивая численные и экспериментальные распределения интенсивности, возможно определить диаметр трубки обратного потока – он равен расстоянию между нулями интенсивности. Для числовой апертуры 0,95 и длины волны 532 нм диаметр трубки обратного потока равен 300 нм. Также экспериментально показано, что при фокусировке цилиндрического векторного пучка второго порядка линзой с числовой апертурой 0,95 возникает осесимметричный поток энергии с очень слабым максимумом в центре (пятно Араго). Такое распределение объясняется дифракцией прямого потока энергии на круглой области диаметром 300 нм, в которой поток энергии обратный. Это также является подтверждением присутствия обратного потока энергии на оптической оси.

Ключевые слова:
обратный поток энергии, острая фокусировка, оптический эксперимент, формулы Ричардса–Вольфа, FDTD-метод, оптический вихрь, цилиндрический векторный пучок.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 18-19-00595) в части «Эксперимент по обнаружению обратного потока в фокусе оптического вихря с круговой поляризацией», Российского фонда фундаментальных исследований (грант 18-29-20003) в части «Эксперимент по обнаружению обратного потока в фокусе поляризационного вихря второго порядка» 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 «Силы, действующие на наночастицу в обратном потоке энергии».

Цитирование:
Котляр, В.В. Экспериментальное исследование обратного потока энергии в фокусе / В.В. Котляр, С.С. Стафеев, А.Г. Налимов, А.А. Ковалев, А.П. Порфирьев // Компьютерная оптика. – 2020. – Т. 44, № 6. – С. 863-870. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-763.

Citation:
Kotlyar VV, Stafeev SS, Nalimov AG, Kovalev AA, Porfirev AP. Experimental investigation of the energy backflow in the tight focal spot. Computer Optics 2020; 44(6): 863-870. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-763.

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 Book: Progress in optics / ed. by E. Wolf. – Elsevier, 2001. – P. 219-276.
  3. Swartzlander, G.A., Jr. 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. Energy density and energy flux in the focus of an optical vortex: reverse flux of light energy / V. Kotlyar, A. Kovalev, A. 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: 1. 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. 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.
  23. Vaveliuk, P. Negative propagation effect in nonparaxial Airy beams / P. Vaveliuk, O. Martinez-Matos // Optics Express. – 2012. – Vol. 20, Issue 24. – P. 26913-26921.
  24. 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.
  25. Berry, M.V. Optical currents / M.V. Berry // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2009. – Vol. 11, Issue 9. – 094001.
  26. Song, Z. Characterization of optical properties of ZnO nanoparticles for quantitative imaging of transdermal transport / Z. Song, T.A. Kelf, W.H. Sanchez, M.S. Roberts, J. Rička, M. Frenz, A.V. Zvyagin // Biomedical Optics Express. – 2011. – Vol. 2, Issue 12. – P. 3321-3333.
  27. Zhang, L. Investigation into the antibacterial behaviour of suspensions of ZnO nanoparticles (ZnO nanofluids) / L. Zhang, Y. Jiang, Y. Ding, M. Povey, D. York // Journal of Nanoparticle Research. – 2007. – Vol. 9, Issue 3. – P. 479-489.
  28. Sirelkhatim, A. Review on zinc oxide nanoparticles: Antibacterial activity and toxicity mechanism / A. Sirelkhatim, S. Mahmud, A. Seeni, N.H.M. Kaus, L.C. Ann, S.K.M. Bakhori, H. Hasan, D. Mohamad // Nano-Micro Letters. – 2015. – Vol. 7, Issue 3. – P. 219-242.
  29. Omidvar, A. Indium-doped and positively charged ZnO nanoclusters: Versatile materials for CO detection / A. Omidvar // Vacuum. – 2018. – Vol. 147. – P. 126-133.
  30. Alisafaee, H. Polarization insensitivity in epsilon-near-zero metamaterial from plasmonic aluminum-doped zinc oxide nanoparticles / H. Alisafaee, M.A. Fiddy // Journal of Nanophotonics. – 2014. – Vol. 8, Issue 1. – 083898.
  31. Beek, W.J.E. Efficient hybrid solar cells from zinc oxide nanoparticles and a conjugated polymer / W.J.E. Beek, M.M. Wienk, R.A.J. Janssen // Advanced Materials. – 2004. – Vol. 16, Issue 12. – P. 1009-1013.
  32. Hau, S.K. Air-stable inverted flexible polymer solar cells using zinc oxide nanoparticles as an electron selective layer / S.K. Hau, H.-L. Yip, N.S. Baek, J. Zou, K. O’Malley, A.K.Y. Jen // Applied Physics Letters. – 2008. – Vol. 92, Issue 25. – 253301.
  33. Stafeev, S.S. The non-vortex inverse propagation of energy in a tightly focused high-order cylindrical vector beam / S.S. Stafeev, V.V. Kotlyar, A.G. Nalimov, E.S. Kozlova // IEEE Photonics Journal. – 2019. – Vol. 11, Issue 4. – 4500810. – DOI: 10.1109/JPHOT.2019.2921669.
  34. 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.
  35. 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.
  36. Bekshaev, A.Y. Subwavelength particles in an inhomogeneous light field: Optical forces associated with the spin and orbital energy flows / A.Y. Bekshaev // Journal of Optics. – 2013. – Vol. 15, Issue 4. – 044004.

© 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