(48-6) 03 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Поперечный спиновый эффект Холла и поляризационная твист-лента в остром фокусе
В.В. Котляр 1,2, А.А. Ковалев 1,2, А.М. Телегин 2, Е.С. Козлова 1,2

1 Институт систем обработки изображений, НИЦ «Курчатовский институт»,
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, 1502 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1504

Страницы: 822-831.

Аннотация:
В данной работе мы с помощью формализма Ричардса–Вольфа нашли явные аналитические выражения для координат большой и малой осей эллипса поляризации с центром в плоскости фокуса для цилиндрического векторного пучка целого порядка n. У такого пучка большая ось эллипса поляризации лежит в плоскости фокуса, а малая ось – перпендикулярна плоскости фокуса. Поэтому эллипс поляризации перпендикулярен плоскости фокуса, и вектор поляризации вращается по часовой или против часовой стрелки в этой плоскости (оптические колеса). И так как волновой вектор тоже перпендикулярен плоскости фокуса, то получается, что эллипс поляризации и волновой вектор лежат в одной плоскости, и в некоторый момент времени вектор поляризации может совпадать с волновым вектором, что является необычным для поперечных электромагнитных колебаний. Для цилиндрического векторного пучка вектор спинового углового момента лежит в плоскости фокуса. И при обходе по некоторой окружности с центром на оптической оси вектор спина на некоторых участках окружности направлен против часовой стрелки, а на других участках – по часовой стрелке. Этот эффект можно назвать поперечным (азимутальным) спиновым эффектом Холла, в отличие от известного продольного спинового эффекта Холла в остром фокусе. Под продольным спиновым эффектом Холла понимают разделение в плоскости фокуса областей с разным знаком продольной проекции вектора спинового углового момента.  В работе показано, что таких областей всегда четное число и что при обходе по окружности вектор большой оси эллипса поляризации формирует двухстороннюю твист-поверхность с четным числом поворотов.

Ключевые слова:
спиновый угловой момент, формулы Ричардса–Вольфа, спиновый эффект Холла, оптический вихрь, цилиндрический векторный пучок, плоская волна, поляризационная твист-лента.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 22-12-00137) в части теории и по государственному заданию НИЦ «Курчатовский институт» в части моделирования.

Цитирование:
Котляр, В.В. Поперечный спиновый эффект Холла и поляризационная твист-лента в остром фокусе / В.В. Котляр, А.А. Ковалев, А.М. Телегин, Е.С. Козлова // Компьютерная оптика. – 2024. – Т. 48, № 6. – С. 822-831. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1504.

Citation:
Kotlyar VV, Kovalev AA, Telegin AM, Kozlova ES. Transverse spin Hall effect and polarization twist ribbon at the sharp focus. Computer Optics 2024; 48(6): 822-831. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1504.

References:
  1. 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(6225): 964-966. DOI: 10.1126/science.1260635.
  2. Wan C, Zhan Q. Generation of exotic optical polarization Möbius strips. Opt Express 2019; 27(8): 11516-11524. DOI: 10.1364/OE.27.011516.
  3. Freund I. Multitwist optical Mobius strips. Opt Lett 2010; 35(2): 148-150. DOI: 10.1364/OL.35.000148.
  4. Freund I. Optical Möbius strips, twisted ribbons, and the index theorem. Opt Lett 2011; 36(23): 4506-4508. DOI: 10.1364/OL.36.004506.
  5. Freund I. Cones, spirals, and Möbius strips, in elliptically polarized light. Opt Commun 2005; 249(1-3): 7-22. DOI: 10.1016/j.optcom.2004.12.052
  6. Freund I. Optical Möbius strips and twisted ribbon cloaks. Opt Lett 2014; 39(4): 727-730. DOI: 10.1364/OL.39.000727.
  7. Galvez EJ, Dutta I, Beach K, Zeosky JJ, Jones JA, Khajavi B. Multitwist Möbius strips and twisted ribbons in the polarization of paraxial light beams. Sci Rep 2017; 7(1): 13653. DOI: 10.1038/s41598-017-13199-1.
  8. Kovalev AA, Kotlyar VV. Spin Hall effect of double-index cylindrical vector beams in a tight focus. Micromachines 2023; 14(2): 494. DOI: 10.3390/mi14020494.
  9. 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.
  10. Kotlyar VV, Kovalev AA, Telegin AM. Generalized Poincaré beams in tight focus. Photonics 2023; 10(2): 218. DOI: 10.3390/photonics10020218.
  11. Berry MV. Index formulae for singular lines of polarization. J Opt A 2004; 6(7): 675-678. DOI: 10.1088/1464-4258/6/7/003.
  12. 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. DOI: 10.1098/rspa.1959.0200.
  13. 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.
  14. Barnett SM. Allen L. Orbital angular momentum and nonparaxial light beams. Opt Commun 1994; 110(5-6): 670-678. DOI: 10.1016/0030-4018(94)90269-0.
  15. Aiello A, Banzer P, Neugebauer M, Leuchs G. From transverse angular momentum to photonic wheels. Nature Photon 2015; 9: 789-795. DOI: 10.1038/nphoton.2015.203.
  16. 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.

© 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