(47-6) 03 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Спиновый угловой момент Гауссовых пучков с несколькими поляризационными сингулярностями
А.А. Ковалёв 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, 1813 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1312

Страницы: 863-874.

Аннотация:
Исследован параксиальный векторный Гауссов пучок с несколькими поляризационными сингулярностями, расположенными равномерно на окружности. Такой пучок является суперпозицией цилиндрически поляризованного пучка Лагерра–Гаусса с линейно поляризованным Гауссовым пучком. Показано, что, несмотря на линейную поляризацию в начальной плоскости, при распространении в пространстве формируются чередующиеся области с плотностью спинового углового момента разного знака, что свидетельствует о спиновом эффекте Холла. Установлено, что в любой поперечной плоскости максимальный по величине спиновый угловой момент достигается на окружности определённого радиуса. Получено приближённое выражение для расстояния до поперечной плоскости с максимальной плотностью спинового углового момента. Кроме того, получен радиус окружности с сингулярностями, для которого достижимая плотность спинового углового момента максимальна. Обнаружено, что в этом случае энергии пучков Лагерра–Гаусса и Гаусса равны. Получено выражение для плотности орбитального углового момента, и установлено, что она равна плотности спинового углового момента, умноженной на –m/2, где m – порядок пучка Лагерра–Гаусса, равный числу поляризационных сингулярностей. Рассмотрена аналогия с плоскими волнами, и обнаружено, что спиновый эффект Холла возникает из-за разной расходимости у линейно поляризованного Гауссова пучка и у цилиндрически поляризованного пучка Лагерра–Гаусса.

Ключевые слова:
цилиндрический векторный пучок; радиальная поляризация; поляризационная сингулярность; Гауссов пучок; пучок Лагерра–Гаусса; спиновый угловой момент; оптический спиновый эффект Холла; орбитальный угловой момент.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 22-12-00137) в частях «Параксиальные световые поля со множественными фазовыми или поляризационными сингулярностями», «Распределение интенсивности», «Плотность спинового углового момента», «Плотность орбитального углового момента», «Аналогия с плоскими волнами и установление механизма», а также Министерства науки и высшего образования РФ в рамках Государственного задания ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в частях «Введение», «Численное моделирование», «Заключение».

Цитирование:
Ковалёв, А.А. Спиновый угловой момент Гауссовых пучков с несколькими поляризационными сингулярностями / А.А. Ковалёв, В.В. Котляр // Компьютерная оптика. – 2023. – Т. 47, № 6. – С. 863-874. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1312.

Citation:
Kovalev AA, Kotlyar VV. Spin angular momentum of Gaussian beams with several polarization singularities. Computer Optics 2023; 47(6): 863-874. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1312.

References:
  1. Indebetouw G. Optical vortices and their propagation. J Mod Opt 1993; 40(1): 73-87. DOI: 10.1080/09500349314550101.
  2. Abramochkin EG, Volostnikov VG. Spiral-type beams. Opt Commun 1993; 102(3-4): 336-350. DOI: 10.1016/0030-4018(93)90406-U.
  3. Wang Q, Tu CH, Li YN, Wang HT. Polarization singularities: Progress, fundamental physics, and prospects. APL Photonics 2021; 6(4): 040901. DOI: 10.1063/5.0045261.
  4. Zhan Q. Cylindrical vector beams: from mathematical concepts to applications. Adv Opt Photon 2009; 1(1): 1-57. DOI: 10.1364/AOP.1.000001.
  5. Tidwell SC, Ford DH, Kimura WD. Generating radially polarized beams interferometrically. Appl Opt 1990; 29(15): 2234-2239. DOI: 10.1364/AO.29.002234.
  6. Kovalev AA, Kotlyar VV. Tailoring polarization singularities in a Gaussian beam with locally linear polarization. Opt Lett 2018; 43(13): 3084-3087. DOI: 10.1364/OL.43.003084.
  7. Kovalev AA, Kotlyar VV. Gaussian beams with multiple polarization singularities. Opt Commun 2018; 423: 111-120. DOI: 10.1016/j.optcom.2018.04.023.
  8. Wang H, Wojcik CC, Fan S. Topological spin defects of light. Optica 2022; 9(12): 1417-1423. DOI: 10.1364/OPTICA.474612.
  9. Kavokin A, Malpuech G, Glazov M. Optical spin Hall effect. Phys Rev Lett 2005; 95(13): 136601. DOI: 10.1103/PhysRevLett.95.136601.
  10. Kim M, Lee D, Kim TH, Yang Y, Park HJ, Rho J. Observation of enhanced optical spin Hall effect in a vertical hyperbolic metamaterial. ACS Photonics 2019; 6(10): 2530-2536. DOI: 10.1021/acsphotonics.9b00904.
  11. Kim M, Lee D, Ko B, Rho J. Diffraction-induced enhancement of optical spin Hall effect in a dielectric grating. APL Photonics 2020; 5(6): 066106. DOI: 10.1063/5.0009616.
  12. 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.
  13. Dienerowitz M, Mazilu M, Reece PJ, Krauss TF, Dholakia K. Optical vortex trap for resonant confinement of metal nanoparticles. Opt Express 2008; 16(7): 4991-4999. DOI: 10.1364/OE.16.004991.
  14. Dennis MR. Polarization singularities in paraxial vector fields: Morphology and statistics. Opt Commun 2002; 213(4-6): 201-221. DOI: 10.1016/S0030-4018(02)02088-6.
  15. Cardano F, Karimi E, Marrucci L, de Lisio C, Santamato E. Generation and dynamics of optical beams with polarization singularities. Opt Express 2013; 21(7): 8815-8820. DOI: 10.1364/OE.21.008815.
  16. Robbins HA. Remark on Stirling's formula. Am Math Mon 1955; 62(1): 26-29. DOI: 10.2307/2308012.
  17. Berry MV, Jeffrey MR, Mansuripur M. Orbital and spin angular momentum in conical diffraction. J Opt A: Pure Appl Opt 2005; 7(11): 685-690. DOI: 10.1088/1464-4258/7/11/011.
  18. Berry MV, Liu W. No general relation between phase vortices and orbital angular momentum. J Phys A Math Theor 2022; 55(37): 374001. DOI: 10.1088/1751-8121/ac80de.
  19. Andrew PK, Williams MAK, Avci E. Optical micromachines for biological studies. Micromachines 2020; 11(2): 192. DOI: 10.3390/mi11020192.
  20. Favre-Bulle IA, Zhang S, Kashchuk AV, Lenton ICD, Gibson LJ, Stilgoe AB, Nieminen TA, Rubinsztein-Dunlop H. Optical tweezers bring micromachines to biology. Opt Photonics News 2018; 29(4): 40-47. DOI: 10.1364/OPN.29.4.000040.
  21. Liu YJ, Lee YH, Lin YS, Tsou C, Baldeck PL, Lin CL. Optically driven mobile integrated micro-tools for a lab-on-a-chip. Actuators 2013; 2(2): 19-26. DOI: 10.3390/act2020019.
  22. Angelsky OV, Bekshaev AYa, Maksimyak PP, Maksimyak AP, Hanson SG, Zenkova CYu. Orbital rotation without orbital angular momentum: mechanical action of the spin part of the internal energy flow in light beams. Opt Express 2012; 20(4): 3563-3571. DOI: 10.1364/OE.20.003563.

© 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