(46-2) 03 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Топологический заряд в дальней зоне оптических вихрей с дробным начальным зарядом: оптические «диполи»
А.Г. Налимов 1,2, В.В. Котляр 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, 1002 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1073

Страницы: 189-195.

Аннотация:
В работе с помощью интеграла Рэлея–Зоммерфельда и формулы Берри рассчитан топологический заряд Гауссова оптического вихря с начальным дробным топологическим зарядом. Показано, что при разной дробной части топологического заряда в пучке присутствует разное число винтовых дислокаций, которые определяют топологический заряд всего пучка. При малой дробной части пучок топологического заряда состоит из основного оптического вихря с центром на оптической оси с топологическим зарядом, равным ближайшему целому числу (пусть n), и двух краевых дислокаций, расположенных на вертикальной оси (выше и ниже центра). При увеличении дробной части начального топологического заряда из верхней краевой дислокации формируется «диполь», состоящий из двух вихрей с топологическим зарядом +1 и –1. При дальнейшем увеличении дробной части дополнительный вихрь с топологическим зарядом +1 смещается к центру пучка, а вихрь с топологическим зарядом –1 смещается на периферию. При дальнейшем увеличении дробной части топологического заряда из нижней краевой дислокации формируется другой «диполь», у которого, наоборот, вихрь с топологическим зарядом –1 смещается к оптической оси (к центру пучка), а вихрь с топологическим зарядом +1 смещается на периферию пучка. Когда дробная часть топологического заряда становится равна 1/2, «нижний» вихрь с топологическим зарядом – 1, который смещался к центру пучка, начинает смещаться на периферию, а «верхний» вихрь с топологическим зарядом + 1 все ближе и ближе смещается к центру пучка и сливается с основным вихрем при приближении дробной части к 1. Такая динамика дополнительных вихрей с топологическим зарядом + 1 сверху и с топологическим зарядом – 1 снизу определяет, какой целый топологический заряд будет у пучка (n или n+1) при разных значениях дробной части из отрезка [n, n+1].

Ключевые слова:
векторный световой пучок, дробный топологический заряд, оптический вихрь, диполь из двух вихрей.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 18-19-00595) в части «Постановка задачи», за счет гранта Самарскому университету на реализацию программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030 в части «Топологический заряд пучка в дальней зоне при начальном ТЗ 3<(mu)<4», а также при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в части «Топологический заряд пучка в дальней зоне при начальном ТЗ 2<(mu)<3».

Цитирование:
Налимов, А.Г. Топологический заряд в дальней зоне оптических вихрей с дробным начальным зарядом: оптические «диполи» / А.Г. Налимов, В.В. Котляр // Компьютерная оптика. – 2022. – Т. 46, № 2. – С. 189-195. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1073.

Citation:
Nalimov AG, Kotlyar VV. Topological charge of optical vortices in the far field with an initial fractional charge: optical "dipoles". Computer Optics 2022; 46(2): 189-195. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1073.

References:
  1. Ruffato G. OAM-inspired new optics: the angular metalens. Light Sci Appl 2021, 10: 96.
  2. Guo Y, Zhang S, Luo X. Spin-decoupled metasurface for simultaneous detection of spin and orbital angular momenta via momentum transformation. Light Sci Appl 2021; 10: 63.
  3. Jin Z, Janoschka D, Deng J, Ge L, Dreher P, Frank B, Hu G, Ni J, Yang Y, Li J, Yu C, Lei D, Li G, Xiao S, Mei S, Giessen H, zu Heringdorf FM, Qiu C-W. Phyllotaxis-inspired nanosieves with multiplexed orbital angular momentum. eLight 2021; 1: 5.
  4. Wei D, Cheng Y, Ni R, Zhang Y, Hu X, Zhu S, Xiao M. Generating controllable Laguerre-Gaussian laser modes through intracavity spin-orbital angular momentum conversion of light. Phys Rev Appl 2019; 11: 014038.
  5. Stella V, Grogjeon T, De Leo N, Boarino L, Munzerd P, Lakowicz JR, Descrovi E. Vortex beam generation by spin-orbit interaction with Bloch surface waves. ACS Photonics 2020; 7: 774-783.
  6. Arikawa T, Hiraoka T, Morimoto S, et al. Transfer of optical angular momentum of light to plasmonic excitations in metamaterials. Sci Adv 2020; 6(24): 253.
  7. Kotlyar VV, Stafeev SS, Nalimov AG, O'Faolain L, Kotlyar MV. A dual-functionality metalens to shape a circularly polarized optical vortex or a second-order cylindrical vector beam. Photonics Nanostruct 2021; 43: 100898. DOI: 10.1016/j.photonics.2021.100898.
  8. Zhu L, Tang M, Li H, Tai Y, Li X. Optical vortex lattice: an explotation of orbital angular momentum. Nanophotonics 2021; 10: 0139.
  9. Fu S, Zhai Y, Zhang J, Liu X, Song R, Zhou H, Gao C. Universal orbital angular momentum spectrum analyser for beams. PhotoniX 2020; 1: 19.
  10. Fatkhiev DM, Butt MA, Grakhova EP, Kutluyarov RV, Stepanov IV, Kazanskiy NL, Khonina SN, Lyubopytov VS, Sultanov AK. Recent advances in generation and detection of orbital angular momentum optical vortices – A Review. Sensors 2021; 21(15): 4988. DOI: 10.3390/s21154988.
  11. Zhu L, Wang J. A review of multiple optical vortices generation: methods and applications. Front Optoelectr 2019; 12(1): 52-68.
  12. Andrews DL. Symmetry and quantum features in optical vortices. Symmetry 2021; 13: 1368.
  13. Wang X, Nie Z, Liang Y, Wang J, Li T, Jia B. Recent advances on optical vortex generation. Nanophotonics 2018; 7(9): 1533-1556.
  14. Chen R, Zhou H, Moretti M, Wang X, Li J. Orbital angular momentum waves: generation, detection and emerging applications. IEEE Commun Surv Tutor 2020; 22(2): 840-868.
  15. Forbes A, de Oliveira M, Dennis MR. Structured light. Nat Photonics 2021; 15: 253-262.
  16. Shen Y, Wang X, Xie Z, Min C, Fu X, Liu Q, Gong M, Yuan X. Optical vortices 30 years on: OAM manipulation from topological charge to multiple singularities. Light Sci Appl 2019; 8: 90.
  17. Kotlyar VV, Kovalev AA, Porfirev AP. Vortex laser beams. Boca Raton: CRC Press; 2018. ISBN: 978-1-1385-4211-2.
  18. Kotlyar VV, Kovalev AA. Accelerating and vortex laser beams. Boca Raton: CRC Press; 2019. ISBN: 978-0-4293-2161-0.
  19. Capasso F, Couwenberg D, eds. Frontires in optics and photonics. de Gruyter GmbH; 2021.
  20. Berry MV. Optical vortices evolving from helicoidal integer and fractional phase steps. J Opt A: Pure Appl Opt 2004; 6(2): 259-268.
  21. Gbur G. Fractional vortex Hilbert's hotel. Optica 2016; 3(3): 222-225.
  22. Hickmann JM, Fonseca EJS, Soares WC, Chavez-Cerda S. Unveiling a truncated optical lattice associated with a triangular aperture using lights orbital angular momentum. Phys Rev Lett 2010; 105: 053904.
  23. Mourka A, Baumgartl J, Shanor C, Dholakia K, Wright EM. Visualization of the birth of an optical vortex using diffraction from a triangular aperture. Opt Express 2011; 19(7): 5760-5771.
  24. Kotlyar VV, Kovalev AA, Porfirev AP. Astigmatic transforms of an optical vortex for measurement of its topological charge. Appl Opt 2017; 56(14): 4095-4104. DOI: 10.1364/AO.56.004095.
  25. Leach J, Yao E, Padgett MJ. Observation of the vortex structure of a non-integer vortex beam. New J Phys 2004; 6: 71.
  26. Gotte JB, Franke-Arnold S, Zambrini R, Barnett SM. Quantum formulation of fractional orbital angular momentum. J Mod Opt 2007; 54(12): 1723-1738.
  27. Jesus-Silva AJ, Fonseca EJS, Hickmann JM. Study of the birth of a vortex at Fraunhofer zone. Opt Lett 2012; 37(21): 4552-4554.
  28. Wen J, Wang L, Yang X, Zhang J, Zhu S. Vortex strength and beam propagation factor of fractional vortex beams. Opt Express 2019; 27(4): 5893-5904.
  29. Kotlyar VV, Kovalev AA, Volyar AV. Topological charge of a linear combination of optical vortices: topological competition. Opt Express 2020; 28(6): 8266-8281. DOI: 10.1364/OE.386401.
  30. Kotlyar VV, Kovalev AA, Nalimov AG, Porfirev AP. Evolution of an optical vortex with an initial fractional topological charge. Phys Rev A 2020; 102(2): 023516. DOI: 10.1103/PhysRevA.102.023516.
  31. Nalimov AG, Kotlyar VV, Soifer VA. Modeling of an image forming by a zone plate in X-ray. Computer Optics 2011; 35(3): 290-296.
  32. Volyar A, Bretsko M, Akimova Ya, Egorov Yu. Vortex avalanche in the perturbed singular beams. J Opt Soc Am A 2019; 36: 1064-1071.

© 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