(45-3) 01 * <<< * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Поперечный поток энергии в остром фокусе света с циркулярно-азимутальной поляризацией высокого порядка
 Котляр 1,2, С.С. Стафеев 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, 993 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-839

Страницы: 311-318.

Аннотация:
Рассмотрена острая фокусировка света с циркулярно-азимутальной поляризацией m-го порядка. Это новый тип неоднородной гибридной поляризации, объединяющий свойства цилиндрической поляризации m-го порядка и круговой поляризации. С помощью формализма Ричардса–Вольфа получены аналитические выражения в фокусе для проекций векторов напряженности электрического и магнитного полей, распределения интенсивности, проекций вектора Пойнтинга и спинового углового момента. Теоретически и численно показано, что интенсивность в фокусе имеет 2(m+1) локальных максимумов, расположенных вдоль замкнутого контура с нулевой интенсивностью в центре (на оптической оси). Показано, что в фокусе имеется 4m вихрей поперечного потока энергии, центры которых расположены между локальными максимумами интенсивности. Также показано, что поперечный поток энергии меняет направление вращения 2(2m+1) раза при обходе в плоскости фокуса вокруг оптической оси. Интересно, что продольная проекция спинового углового момента в фокусе меняет знак 4m раза. В тех областях плоскости фокуса, где поперечный поток энергии вращается против часовой стрелки, продольная проекция спинового углового момента положительная, а вектор поляризации вращается в плоскости фокуса против часовой стрелки. И наоборот, где поток энергии вращается по часовой стрелке, там и вектор поляризации вращается по часовой стрелке, а продольная проекция спинового углового момента отрицательная. Моделирование подтверждает выводы теории.

Ключевые слова:
острая фокусировка, гибридная поляризация, вектор Пойнтинга, спиновый угловой момент.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в частях «Введение» и «Заключение», Российского научного фонда (грант № 18-19-00595) в части «Результаты моделирования фокусировки света с гибридной поляризацией», Российского фонда фундаментальных исследований РФФИ (грант № 18-29-20003) в части «Интенсивность света с гибридной поляризацией в фокусе»).

Цитирование:
Котляр, В.В. Поперечный поток энергии в остром фокусе света с циркулярно-азимутальной поляризацией высокого порядка / В.В. Котляр, С.С. Стафеев // Компьютерная оптика. – 2021. – Т. 45, № 3. – С. 311-318. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-839.

Citation:
Kotlyar VV, Stafeev SS. A transverse energy flow at the tight focus of light with higher-order circular-azimuthal polarization. Computer Optics 2021; 45(3): 311-318. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-839.

Литература:
  1. 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. – 1959. – Vol. 253, Issue 1274. – P. 358-379.
  2. 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.
  3. Zhao, Y.Q. Spin-to-orbital angular momentum conversion in a strongly focused optical beam / Y.Q.  Zhao, J.S. Edgar, G.D.M. Jeffries, D. McGloin, D.T. Chiu // Physical Review Letters. – 2007. – Vol. 99. – 073901.
  4. Kotlyar, V.V. Exploiting the circular polarization of light to obtain a spiral energy flow at the subwavelength focus / V.V. Kotlyar, A.G. Nalimov, S.S. Stafeev // Journal of the Optical Society of America B. – 2019. – Vol. 36, Issue 10. – P. 2850-2855. – DOI: 10.1364/JOSAB.36.002850.
  5. Chen, B. Tight focusing of elliptically polarized vortex beams / B. Chen, J. Pu // Applied Optics. – 2009. – Vol. 48, Issue 7. – P. 1288-1294.
  6. 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.
  7. Zhan, Q. Cylindrical vector beams: from mathematical concepts to applications / Q. Zhan // Advances in Optics and Photonics. – 2009. – Vol. 1, Issue 1. – P. 1-57.
  8. Wang, X.L. Optical orbital angular momentum from the curl of polarization / X.L. Wang, J. Chen, Y.N. Li, J.P. Ding, C.S. Gou, H.T. Wang // Physical Review Letters. – 2010. – Vol. 105, Issue 25. – 253602.
  9. Wang, X.L. A new type of vector fields with hybrid states of polarization / X.L. Wang, Y.N. Li, J. Chen, C.S. Guo, J.P. Ding, H.T. Wang // Optics Express. – 2010. – Vol. 18. – P. 10786-10795.
  10. Hu, K. Tight focusing properties of hybridly polarized vector beams / K. Hu, Z. Chen, J. Pu // Journal of the Optical Society of America A. – 2012. – Vol. 29. – P. 1099-1104.
  11. Lerman, G.M. Generation and fight focusing of hybridly polarized vector beams / G.M. Lerman, L. Stern, U. Levy // Optics Express. – 2010. – Vol. 18. – P. 27650-27657.
  12. Hu, H. The tight focusing properties of spatial hybrid polarization vector beam / H. Hu, P. Xiao // Optik. – 2013. – Vol. 124. – P. 2406-2410.
  13. 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, Issue 18. – P. 5274-5276.
  14. 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, Issue 1. – 40195.
  15. 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, Issue 1. – 14320. – DOI: 10.1038/s41598-018-32469-0.
  16. 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.
  17. Котляр, В.В. Острая фокусировка светового поля с поляризационной и фазовой сингулярностью произвольного порядка / В.В. Котляр, С.С. Стафеев, А.А. Ковалёв // Компьютерная оптика. – 2019. – Т. 43, № 3. – С. 337-346. – DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-3-337-346.
  18. 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.
  19. 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.

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