(47-6) 04 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Спиновый угловой момент в остром фокусе цилиндрического векторного пучка с оптическим вихрем
В.В. Котляр 1,2, С.С. Стафеев 1,2, А.М. Телегин 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, 439 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1347

Страницы: 875-883.

Аннотация:
Рассмотрена острая фокусировка светового поля с двойной (фазовой и поляризационной) сингулярностью. С помощью метода Ричардса–Вольфа получено точное аналитическое выражение для продольной проекции вектора спинового углового момента в фокусе. Из этого выражения следует, что в фокусе формируются 4(n – 1) субволновые области, n – порядок цилиндрического векторного пучка, центры которых лежат на окружности определенного радиуса с центром на оптической оси. Причем в соседних областях знак спинового углового момента разный. Это означает, что в соседних областях в фокусе свет имеет левую и правую эллиптические поляризации (спиновый эффект Холла). В центре фокуса вблизи оптической оси имеет место правая эллиптическая поляризация (m > 0) или левая эллиптическая поляризация, если m < 0, m – топологический заряд оптического вихря. Полный продольный спин, то есть усредненная по сечению пучка продольная компонента спинового углового момента равна нулю и сохраняется при фокусировке. Из-за наличия в пучке оптического вихря с топологическим зарядом m, вблизи фокуса поперечный поток энергии вращается по спирали (в самом фокусе по окружности). Направление вращения вблизи оптической оси при m > 0 против часовой стрелки, а при m < 0 – по часовой стрелке.

Ключевые слова:
спиновый угловой момент, острая фокусировка, цилиндрический векторный пучок, оптический вихрь.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-12-00236 (в части теории) и в рамках Государственного задания ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН (в части моделирования).

Цитирование:
Котляр, В.В. Спиновый угловой момент в остром фокусе цилиндрического векторного пучка с оптическим вихрем / В.В. Котляр, С.С. Стафеев, А.М. Телегин // Компьютерная оптика. – 2023. – Т. 47, № 6. – С. 875-883. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1347.

Citation:
Kotlyar VV, Stafeev SS, Telegin AM. Spin angular momentum at the sharp focus of a cylindrical vector vortex beam. Computer Optics 2023; 47(6): 875-883. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1347.

References:
  1. Poynting JH. The wave motion of a revolving shaft, and a suggestion as to the angular momentum in a beam of circularly polarised light. Proc R Soc London 1909; 82(557): 560-567.
  2. Cameron RP, Barnett SM, Yao AM. Optical helicity, optical spin and related quantities in electromagnetic theory. New J Phys 2012; 14(5): 053050.
  3. Milione G, Sztul HI, Nolan DA, Alfano RR. Higher-order Poincaré sphere, Stokes parameters, and the angular momentum of light. Phys Rev Lett 2011; 107(5): 053601.
  4. He L, Li H, Li M. Optomechanical measurement of photon spin angular momentum and optical torque in integrated photonic devices. Sci Adv 2016; 2(9): e1600485.
  5. Abujetas DR, Sánchez-Gil JA. Spin angular momentum of guided light induced by transverse confinement and intrinsic helicity. ACS Photonics 2020; 7(2): 534-545.
  6. Neugebauer M, Bauer T, Aiello A, Banzer P. Measuring the transverse spin density of light. Phys Rev Lett 2015; 114(6): 063901.
  7. Bokor N, Iketaki Y, Watanabe T, Fujii M. Investigation of polarization effects for high-numerical-aperture first-order Laguerre-Gaussian beams by 2D scanning with a single fluorescent microbead. Opt Express 2005; 13(26): 10440-10447.
  8. Bliokh KY, Ostrovskaya EA, Alonso MA, Rodríguez-Herrera OG, Lara D, Dainty C. Spin-to-orbital angular momentum conversion in focusing, scattering, and imaging systems. Opt Express 2011; 19(27): 26132-26149.
  9. Bliokh KY, Rodríguez-Fortuño FJ, Nori F, Zayats A V. Spin–orbit interactions of light. Nat Photonics 2015; 9(12): 796-808.
  10. Aiello A, Banzer P, Neugebauer M, Leuchs G. From transverse angular momentum to photonic wheels. Nat Photonics 2015; 9(12): 789-795.
  11. Bauer T, Neugebauer M, Leuchs G, Banzer P. Optical polarization Möbius strips and points of purely transverse spin density. Phys Rev Lett 2016; 117(1): 013601.
  12. Zhu W, Shvedov V, She W, Krolikowski W. Transverse spin angular momentum of tightly focused full Poincaré beams. Opt Express 2015; 23(26): 34029.
  13. Bliokh KY, Bekshaev AY, Nori F. Dual electromagnetism: helicity, spin, momentum and angular momentum. New J Phys 2013; 15(3): 033026.
  14. Chen R, Chew K, Dai C, Zhou G. Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in the near field of a highly nonparaxial optical field with hybrid states of polarization. Phys Rev A 2017; 96(5): 053862.
  15. Hu K, Chen Z, Pu J. Tight focusing properties of hybridly polarized vector beams. J Opt Soc Am A 2012; 29(6): 1099-1104.
  16. Meng P, Man Z, Konijnenberg AP, Urbach HP. Angular momentum properties of hybrid cylindrical vector vortex beams in tightly focused optical systems. Opt Express 2019; 27(24): 35336-35348.
  17. Li M, Yan S, Yao B, Liang Y, Zhang P. Spinning and orbiting motion of particles in vortex beams with circular or radial polarizations. Opt Express 2016; 24(18): 20604.
  18. Li M, Yan S, Liang Y, Zhang P, Yao B. Spinning of particles in optical double-vortex beams. J Opt 2018; 20(2): 025401.
  19. Kotlyar VV, Stafeev SS, Kovalev AA. Reverse and toroidal flux of light fields with both phase and polarization higher-order singularities in the sharp focus area. Opt Express 2019; 27(12): 16689-16702. DOI: 10.1364/OE.27.016689.
  20. Volyar AV, Shvedov VG, Fadeeva TA. The structure of a nonparaxial Gaussian beam near the focus: II. Optical vortices. Opt Spectrosc 2001; 90(1): 93-100.
  21. Bekshaev AY. A simple analytical model of the angular momentum transformation in strongly focused light beams. Cent Eur J Phys 2010; 8(6): 947-960.
  22. Richards B, Wolf E. Electromagnetic diffraction in optical systems. II. Structure of the image field in an aplanatic system. Proc R Soc A Math Phys Eng Sci 1959; 253(1274): 358-379.
  23. Barnett SM, Allen L. Orbital angular momentum and nonparaxial light beams. Opt Commun 1994; 110(5-6): 670-678.
  24. Kotlyar VV, Kovalev AA, Kozlova ES, Telegin AM. Hall effect at the focus of an optical vortex with linear polarization. Micromachines 2023; 14(4): 788. DOI: 10.3390/mi14040788.
  25. Han L, Liu S, Li P, Zhang Y, Cheng H, Zhao J. Catalystlike effect of orbital angular momentum on the conversion of transverse to three-dimensional spin states within tightly focused radially polarized beams. Phys Rev A 2018; 97(5): 053802.
  26. Kovalev AA, Kotlyar VV. Spin Hall effect of double-index cylindrical vector beams in a tight focus. Micromachines 2023; 14(2): 494.
  27. Kotlyar VV, Kovalev AA, Nalimov AG. Energy density and energy flux in the focus of an optical vortex: Reverse flux of light energy. Opt Lett 2018; 43(12): 2921-2924. DOI: 10.1364/OL.43.002921.
  28. Humblet J. Sur le moment d’impulsion d’une onde électromagnétique. Physica 1943; 10(7): 585-603.

© 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