(47-3) 03 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Минимальный размер фокусного пятна при фокусировке света круговой поляризации
С.С. Стафеев 1,2, В.Д. Зайцев 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, 791 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1247

Страницы: 361-366.

Аннотация:
В данной работе с помощью формализма Ричардса–Вольфа рассмотрена фокусировка света с круговой поляризацией плоскими дифракционными линзами. Было показано, что при увеличении числовой апертуры линзы размер фокусного пятна сначала уменьшается, а потом начинает расти. Минимальное фокусное пятно наблюдается при NA = 0,96 (FWHM = 0,55λ). При дальнейшем увеличении числовой апертуры линзы рост продольной составляющей приводит к увеличению размера фокусного пятна. При замене плоской дифракционной линзы на апланатический объектив размер фокусного пятна монотонно уменьшается при увеличении числовой апертуры линзы. Также показано, что в остром фокусе наблюдается конверсия поляризации – возникают области, в которых направление вращения круговой поляризации противоположно направлению вращения поляризации в исходном пучке.

Ключевые слова:
острая фокусировка, формулы Ричардса–Вольфа, конверсия поляризации, фокус с плоской вершиной.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 22-22-00265).

Цитирование:
Стафеев, С.С. Минимальный размер фокусного пятна при фокусировке света круговой поляризации / С.С. Стафеев, В.Д. Зайцев, В.В. Котляр // Компьютерная оптика. – 2023. – Т. 47, № 3. – С. 361-366. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1247.

Citation:
Stafeev SS, Zaitsev VD, Kotlyar VV. Minimal focal spot obtained by focusing circularly polarized light. Computer Optics 2023; 47(3): 361-366. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1247.

References:
  1. Man Z, Dou X, Urbach HP. The evolutions of spin density and energy flux of strongly focused standard full Poincaré beams. Opt Commun 2020; 458: 124790. DOI: 10.1016/j.optcom.2019.124790.
  2. Man Z, Bai Z, Zhang S, Li X, Li J, Ge X, Zhang Y, Fu S. Redistributing the energy flow of a tightly focused radially polarized optical field by designing phase masks. Opt Express 2018; 26(18): 23935. DOI: 10.1364/OE.26.023935.
  3. Gao X-Z, Pan Y, Zhang G-L, Zhao M-D, Ren Z-C, Tu C-G, Li Y-N, Wang H-T. Redistributing the energy flow of tightly focused ellipticity-variant vector optical fields. Photonics Res 2017; 5(6): 640-648. DOI: 10.1364/PRJ.5.000640.
  4. Jiao X, Liu S, Wang Q, Gan X, Li P, Zhao J. Redistributing energy flow and polarization of a focused azimuthally polarized beam with rotationally symmetric sector-shaped obstacles. Opt Lett 2012; 37(6): 1041-1048. DOI: 10.1364/OL.37.001041.
  5. Richards B, Wolf E. Electromagnetic diffraction in optical systems. II. Structure of the image field in an aplanatic system. Proc Math Phys Eng Sci 1959; 253(1274): 358-379. DOI: 10.1098/rspa.1959.0200.
  6. Stafeev SS, Nalimov AG, Kovalev AA, Zaitsev VD, Kotlyar VV. Circular polarization near the tight focus of linearly polarized light. Photonics 2022; 9(3): 196. DOI: 10.3390/photonics9030196.
  7. Bauer T, Banzer P, Karimi E, Orlov S, Rubano A, Marrucci L, Santamato E, Boyd RW, Leuchs G. Observation of optical polarization Möbius strips. Science 2015; 347: 964-966. DOI: 10.1126/science.1260635.
  8. Kotlyar VV, Stafeev SS, Kozlova ES, Nalimov AG. Spin-orbital conversion of a strongly focused light wave with high-order cylindrical–circular polarization. Sensors 2021; 21(19): 6424. DOI: 10.3390/s21196424.
  9. Wang H, Shi L, Lukyanchuk B, Sheppard C, Chong CT. Creation of a needle of longitudinally polarized light in vacuum using binary optics. Nat Photonics 2008; 2: 501-505. DOI: 10.1038/nphoton.2008.127.
  10. Dorn R, Quabis S, Leuchs G. Sharper focus for a radially polarized light beam. Phys Rev Lett 2003; 91(23): 233901. DOI: 10.1103/PhysRevLett.91.233901.
  11. Grosjean T, Gauthier I. Longitudinally polarized electric and magnetic optical nano-needles of ultra high lengths. Opt Commun 2013; 294: 333-337. DOI: 10.1016/j.optcom.2012.12.032.
  12. Wang X, Zhu B, Dong Y, Wang S, Zhu Z, Bo F, Li X. Generation of equilateral-polygon-like flat-top focus by tightly focusing radially polarized beams superposed with off-axis vortex arrays. Opt Express 2017; 25(22): 26844-26852. DOI: 10.1364/OE.25.026844.
  13. Ping C, Liang C, Wang F, Cai Y. Radially polarized multi-Gaussian Schell-model beam and its tight focusing properties. Opt Express 2017; 25(26): 32475-32490. DOI: 10.1364/OE.25.032475.
  14. Chen H, Tripathi S, Toussaint KC. Demonstration of flat-top focusing under radial polarization illumination. Opt Lett 2014; 39(4): 834-837. DOI: 10.1364/OL.39.000834.
  15. Malik HK, Devi L. Relativistic self focusing and frequency shift of super-Gaussian laser beam in plasma. Results in Physics 2020; 17: 103070. DOI: 10.1016/j.rinp.2020.103070.
  16. Savelyev DA. The investigation of the features of focusing vortex super-Gaussian beams with a variable-height diffractive axicon. Computer Optics 2021; 45(2): 214-221. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-862.
  17. Ding X, Ren Y, Lu R. Shaping super-Gaussian beam through digital micro-mirror device. Science China Physics, Mechanics & Astronomy 2015; 58(3): 1-6. DOI: 10.1007/s11433-014-5499-9.
  18. Savelyev DA. Peculiarities of focusing circularly and radially polarized super-Gaussian beams using ring gratings with varying relief height. Computer Optics 2022; 46(4): 537-546. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1131.
  19. Kasinski JJ, Burnham RL. Near-diffraction-limited laser beam shaping with diamond-turned aspheric optics. Opt Lett 1997; 22(14): 1062-1064. DOI: 10.1364/ol.22.001062.
  20. Li Y. Light beams with flat-topped profiles. Opt Lett 2002; 27(12): 1007-1009. DOI: 10.1364/ol.27.001007.
  21. Eyyuboglu HT, Arpali Ç, Baykal YK. Flat topped beams and their characteristics in turbulent media. Opt Express 2006; 14(10): 4196-4207. DOI: 10.1364/oe.14.004196.
  22. Kotlyar VV, Nalimov AG, Stafeev SS. Exploiting the circular polarization of light to obtain a spiral energy flow at the subwavelength focus. J Opt Soc Am B 2019; 36(10): 2850-2855. DOI: 10.1364/JOSAB.36.002850.
  23. Stafeev SS, Zaitsev VD, Kotlyar VV. Circular polarization before and after the sharp focus for linearly polarized light. Computer Optics 2022; 46(3): 381-387. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1070.
  24. Davidson N, Bokor N. High-numerical-aperture focusing of radially polarized doughnut beams with a parabolic mirror and a flat diffractive lens. Opt Lett 2004; 29(12): 1318-1320. DOI: 10.1364/ol.29.001318.
  25. Stafeev SS, Zaicev VD. A minimal subwavelength focal spot for the energy flux. Computer Optics 2021; 45(5): 685-691. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-908.
  26. Stafeev SS, Nalimov AG. Longitudinal component of the Poynting vector of a tightly focused optical vortex with circular polarization. Computer Optics 2018; 42(1): 190-196. DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-2-190-196.

© 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