(45-2) 02 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Фокусировка цилиндрических векторных пучков дробных порядков
С.С. Стафеев 1,2, В.Д. Зайцев 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, 1043 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-805

Страницы: 172-178.

Аннотация:
С помощью моделирования острой фокусировки векторных пучков с азимутальной поляризацией дробного порядка 0<m<1 (m=1 – азимутальная поляризация, m=0 – линейная поляризация) показано, что форма распределения интенсивности в фокусном пятне меняется от эллиптической (m=0) к круглой (m=0,5) и заканчивается кольцевой (m=1). А форма распределения продольной компоненты вектора Пойнтинга (потока энергии) в фокусном пятне меняется по-другому: от круглой (m=0) к эллиптической (m=0,5) и заканчивается кольцевой (m = 1). Диаметр фокусного пятна по полуспаду интенсивности для оптического вихря первого порядка с азимутальной поляризацией (m=1) для числовой апертуры NA=0,95 равен 0,460 от длины волны, а диаметр осевого потока энергии для линейно поляризованного света (m=0) равен 0,456. Поэтому ответы на вопросы: «когда фокусное пятно круглое, а когда эллиптическое» или «когда фокусное пятно минимальное: при азимутальной поляризации с вихрем или при линейной поляризации без вихря» – зависят от того, рассматриваем ли мы интенсивность в фокусе или поток энергии.
     Во втором моделировании исследовалось влияние отклонения порядка пучка от m=2 (т.е. случая, когда обратный поток наблюдается в центре фокусного пятна). Было показано, что обратный поток сохраняется в центре пятна даже при значительном отклонении порядка пучка от m=2 – вплоть до m=1,55.

Ключевые слова:
цилиндрический векторный пучок, острая фокусировка, формулы Ричардса–Вольфа, обратный поток энергии.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 18-19-00595) в части «Фокусировка цилиндрических векторных пучков с порядком от нуля до единицы», 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 (соглашение 007-ГЗ/Ч3363/26) в части «Введение».

Цитирование:
Стафеев, С.С. Фокусировка цилиндрических векторных пучков дробных порядков / С.С. Стафеев, В.Д. Зайцев // Компьютерная оптика. – 2021. – Т. 45, № 2. – С. 172-178. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-805.

Citation:
Stafeev SS, Zaitsev VD. Focusing cylindrical vector beams with fractional order. Computer Optics 2021; 45(2): 172-178. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-805.

Литература:
  1. Dorn, R. Sharper focus for a radially polarized light beam / R. Dorn, S. Quabis, G. Leuchs // Physical Review Letters. – 2003. – Vol. 91, Issue 23. – 233901.
  2. Khonina, S.N. Simple phase optical elements for narrowing of a focal spot in high-numerical-aperture conditions / S.N. Khonina // Optical Engineering. – 2013. – Vol. 52, Issue 9. – 091711. – DOI: 10.1117/1.OE.52.9.091711.
  3. Grosjean, T. Longitudinally polarized electric and magnetic optical nano-needles of ultra high lengths / T. Grosjean, I. Gauthier // Optics Communications. – 2013. –Vol. 294. – P. 333-337.
  4. Guan, J. Transversely polarized sub-diffraction optical needle with ultra-long depth of focus / J. Guan, J. Lin, C. Chen, Y. Ma, J. Tan, P. Jin // Optics Communications. – 2017. – Vol. 404. – P. 118-123.
  5. Yu, Y. Engineering of multi-segmented light tunnel and flattop focus with designed axial lengths and gaps / Y. Yu, H. Huang, M. Zhou, Q. Zhan // Optics Communications. – 2018. – Vol. 407. – P. 398-401.
  6. Zheng, C. Characterization of the focusing performance of axial line-focused spiral zone plates / C. Zheng, S. Su, H. Zang, Z. Ji, Y. Tian, S. Chen, K. Mu, L. Wei, Q. Fan, C. Wang, X. Zhu, C. Xie, L. Cao, E. Liang // Applied Optics. – 2018. – Vol. 57. – P. 3802-3807.
  7. Lin, J. Generation of longitudinally polarized optical chain by 4 π focusing system / J. Lin, R. Chen, P. Jin, M. Cada, Y. Ma // Optics Communications. – 2015. – Vol. 340. – P. 69-73.
  8. Yu, Y. Generation of uniform three-dimensional optical chain with controllable characteristics / Y. Yu, Q. Zhan // Journal of Optics. – 2015. – Vol. 17. – 105606.
  9. Xiaoqiang, Z. Focusing properties of cylindrical vector vortex beams / Z. Xiaoqiang, C. Ruishan, W. Anting // Optics Communications. – 2018. – Vol. 414. – P. 10-15.
  10. Khonina, S.N. Shaping of spherical light intensity based on the interference of tightly focused beams with different polarizations / S.N. Khonina, A.V. Ustinov, S.G. Volotovsky // Optics and Laser Technology. – 2014. – Vol. 60. – P. 99-106. – DOI: 10.1016/j.optlastec.2014.01.012.
  11. Khonina, S.N. High-aperture binary axicons for the formation of the longitudinal electric field component on the optical axis for linear and circular polarizations of the illuminating beam / S.N. Khonina, D.A. Savelyev // Journal of Experimental and Theoretical Physics. – 2013. – Vol. 117. – P. 623-630. – DOI: 10.1134/S1063776113120157.
  12. Rashid, M. Focusing of high order cylindrical vector beams / M. Rashid, O.M. Maragò, P.H. Jones // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2009 – Vol. 11 – 065204.
  13. Li, Y. Propagation evolution of an off-axis high-order cylindrical vector beam / Y. Li, Z. Zhu, X. Wang, L. Gong, M. Wang, S. Nie // Journal of the Optical Society of America A. – 2014. – Vol. 31. – P. 2356-2361.
  14. Qi, J. Multiple-slit diffraction of high-polarization-order cylindrical vector beams / J. Qi, W. Wang, B. Pan, H. Deng, J. Yang, B. Shi, H. Shan, L. Zhang, H. Wang // Proceedings of SPIE. – 2017. – Vol. 10339. – 1033927.
  15. Wang, X.-L. Generation of arbitrary vector beams with a spatial light modulator and a common path interferometric arrangement / X.-L. Wang, J. Ding, W.-J. Ni, C.-S. Guo, H.-T. Wang // Optics Letters. – 2007. – Vol. 32. – P. 3549-3551.
  16. Chen, H. Generation of vector beam with space-variant distribution of both polarization and phase / H. Chen, J. Hao, B.-F. Zhang, J. Xu, J. Ding, H.-T. Wang // Optics Letters. – 2011.– Vol. 36. – P. 3179-3181.
  17. Liu, Y. Generation of perfect vortex and vector beams based on Pancharatnam-Berry phase elements / Y. Liu, Y. Ke, J. Zhou, Y. Liu, H. Luo, S. Wen, D. Fan // Scientific Reports. – 2017. – Vol. 7. – 44096.
  18. Khonina, S.N. Vortex beams with high-order cylindrical polarization: features of focal distributions / S.N. Khonina // Applied Physics B. – 2019. – Vol. 125. – 100. – DOI: 10.1007/s00340-019-7212-1.
  19. Chen, S. Generation of arbitrary cylindrical vector beams on the higher order Poincaré sphere / S. Chen, X. Zhou, Y. Liu, X. Ling, H. Luo, S. Wen // Optics Letters. – 2014. – Vol. 39. – P. 5274-5276.
  20. Khonina, S.N. Formation of hybrid higher-order cylindrical vector beams using binary multi-sector phase plates / S.N. Khonina, A.V. Ustinov, S.A. Fomchenkov, A.P. Porfirev // Scientific Reports. – 2018. – Vol. 8. – 14320. – DOI: 10.1038/s41598-018-32469-0.
  21. D’Errico, A. Topological features of vector vortex beams perturbed with uniformly polarized light / A. D’Errico, M. Maffei, B. Piccirillo, C. de Lisio, F. Cardano, L. Marrucci // Scientific Reports. – 2017. – Vol. 7. – 40195.
  22. Gao, X.-Z. Redistributing the energy flow of tightly focused ellipticity-variant vector optical fields / X.-Z. Gao, Y. Pan, G.-L. Zhang, M.-D. Zhao, Z.-C. Ren, C.-G. Tu, Y.-N. Li, H.-T. Wang // Photonics Research. – 2017. – Vol. 5. – P. 640-648.
  23. Khonina, S.N. Vector Lissajous laser beams / S.N. Khonina, A.V. Ustinov, A.P. Porfirev // Optics Letters. – 2020. – Vol. 45, Issue 15. – P. 4112-4115. – DOI: 10.1364/OL.398209.
  24. Стафеев, С.С. Обратный поток энергии в фокусе цилиндрического векторного пучка / С.С. Стафеев, А.Г. Налимов, В.В. Котляр // Компьютерная оптика. – 2018 – Т. 42, № 5. – С. 744-750. – DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-5-744-750.
  25. 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: DOI: 10.1109/JPHOT.2019.2921669.
  26. Kotlyar, V.V. Mechanism of formation of an inverse energy flow in a sharp focus / V.V. Kotlyar, S.S. Stafeev, A.G. Nalimov, A.A. Kovalev, A.P. Porfirev // Physical Review A. – 2020. – Vol. 101, Issue 3. – 033811. – DOI: 10.1103/PhysRevA.101.033811.
  27. Degtyarev, S. Metasurfaces with continuous ridges for inverse energy flux generation / S. Degtyarev, D. Savelyev, S. Khonina, N. Kazanskiy // Optics Express. – 2019. – Vol. 27, Issue 11. – P. 15129-15135. – DOI: 10.1364/OE.27.015129.
  28. Khonina, S.N. Increased reverse energy flux area when focusing a linearly polarized annular beam with binary plates / S.N. Khonina, A.V. Ustinov // Optics Letters. – 2019. – Vol. 44, Issue 8. – P. 2008-2011. – DOI: 10.1364/OL.44.002008.
  29. Machavariani, G. Efficient extracavity generation of radially and azimuthally polarized beams / G. Machavariani, Y. Lumer, I. Moshe, A. Meir, S. Jackel // Optics Letters. – 2007. – Vol. 32. – P. 1468-1470.
  30. Machavariani, G. Spatially-variable retardation plate for efficient generation of radially- and azimuthally-polarized beam / G. Machavariani, Y. Lumer, I. Moshe, A. Meir, S. Jackel // Optics Communications. – 2008. – Vol. 281. – P. 732-738.
  31. Алферов, С.В. Экспериментальное исследование фокусировки неоднородно поляризованных пучков, сформированных при помощи секторных пластинок / С.В. Алферов, С.В. Карпеев, С.Н. Хонина, О.Ю. Моисеев // Компьютерная оптика. – 2014. – Т. 38, № 1. – С. 51-56. – DOI: 10.18287/0134-2452-2014-38-1-51-56.
  32. Khonina, S.N. Sector sandwich structure: an easy-to-manufacture way towards complex vector beam generation / S.N. Khonina, S.V. Karpeev, A.P. Porfirev // Optics Express. – 2020. – Vol. 28, Issue 19. – P. 27628-27643. – DOI: 10.1364/OE.398435.
  33. Imai, R. Terahertz vector beam generation using segmented nonlinear optical crystals with threefold rotational symmetry / R. Imai, N. Kanda, T. Higuchi, Z. Zheng, K. Konishi, M. Kuwata-Gonokami // Optics Express. – 2012. – Vol. 20. – P. 21896-21904.
  34. Man, Z. Arbitrary vector beams with selective polarization states patterned by tailored polarizing films / Z. Man, C. Min, Y. Zhang, Z. Shen, X.-C. Yuan // Laser Physics. – 2013. – Vol. 23. – 105001.
  35. Налимов, А.Г. Отражающий четырёхзонный субволновый элемент микрооптики для преобразования линейной поляризации в радиальную / А.Г. Налимов, Л. О’Фаолейн, С.С. Стафеев, М.И. Шанина, В.В. Котляр // Компьютерная оптика. – 2014. – Т. 38, № 2. – С. 229-236. – DOI: 10.18287/0134-2452-2014-38-2-229-236.
  36. Stafeev, S.S. Microlens-aided focusing of linearly and azimuthally polarized laser light / S.S. Stafeev, A.G. Nalimov, M.V. Kotlyar, D. Gibson, S. Song, L. O’Faolain, V.V. Kotlyar // Optics Express. – 2016. – Vol. 24, Issue 26. – P. 29800-29813. – DOI: 10.1364/OE.24.029800.
  37. Kotlyar, V.V. Subwavelength micropolarizer in a gold film for visible light / V.V. Kotlyar, S.S. Stafeev, M.V. Kotlyar, A.G. Nalimov, L. O’Faolain // Applied Optics. – 2016. – Vol. 55, Issue 19. – P. 5025-5032. – DOI: 10.1364/AO.55.005025.
  38. Stafeev, S.S. Tight focusing of a quasi-cylindrical optical vortex / S.S. Stafeev, V.V. Kotlyar // Optics Communications. – 2017. – Vol. 403. – P. 277-282. – DOI: 10.1016/j.optcom.2017.07.054.
  39. 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 of London A. Mathematical and Physical Sciences. – 1959. – Vol. 253, Issue 1274. – P. 358-379.

© 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