(48-6) 06 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Cуперпозиция оптического вихря и плоской волны с линейными поляризациями в остром фокус
В.В. Котляр 1,2, С.С. Стафеев 1,2, А.М. Телегин 1,2, 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, 850 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1502

Страницы: 851-857.

Аннотация:
Рассмотрена острая фокусировка суперпозиции вихревого лазерного пучка с топологическим зарядом n с линейной поляризацией и плоской волны с такой же линейной поляризацией, направленной вдоль горизонтальной оси. В формализме Ричардса–Вольфа получены аналитические выражения для распределения интенсивности и продольной проекции спинового углового момента в плоскости фокуса. Показано, что для четных и нечетных номеров n интенсивность и спиновый угловой момент обладают разной симметрией: при четном n они симметричны относительно обеих декартовых осей, а при нечетном n они симметричны только относительно вертикальной оси. Распределение интенсивности имеет 2n локальных максимумов в фокусе, и на оптической оси интенсивность при любом n отлична от нуля. Распределение продольной проекции спинового углового момента (плотность спина) в плоскости фокуса имеет (n+2) субволновых областей с положительным спиновым угловым моментом и (n+2) областей с отрицательным спиновым угловым моментом, центры которых, чередуясь, лежат на окружности некоторого радиуса с центром на оптической оси. Такое распределение спина с разным знаком демонстрирует продольный спиновый эффект Холла в фокусе. Суммарно в фокусе отрицательный и положительный спин взаимно компенсируется и равен нулю.

Ключевые слова:
спиновый угловой момент, формулы Ричардса–Вольфа, эффект Холла, оптический вихрь, плоская волна, линейная поляризация.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке РНФ (грант 23-12-00236 (теория и моделирование)) и в рамках выполнения работ по Государственному заданию НИЦ Курчатовский институт (Введение и Заключение).

Цитирование:
Котляр, В.В. Cуперпозиция оптического вихря и плоской волны с линейными поляризациями в остром фокусе / В.В. Котляр, С.С. Стафеев, А.М. Телегин, Е.С. Козлова // Компьютерная оптика. – 2024. – Т. 48, № 6. – С. 851-857. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1502.

Citation:
Kotlyar VV, Stafeev SS, Telegin AM, Kozlova ES. Superposition of an optical vortex and a plane wave with linear polarization states at the tight focus. Computer Optics 2024; 48(6): 851-857. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1502.

References:
  1. 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.
  2. Bauer T, Banzer P, Karimi E, Orlov S, Rubano A, Marrucci L, Santa Mato E, Boyd RW, Leuchs G. Observation of optical polarization Möbius strips. Science 2015; 347: 964-966. DOI: 10.1126/science.1260635.
  3. Wan C, Zhan Q. Generation of exotic optical polarization Möbius strips. Opt Express 2019; 27(8): 11516-11524. DOI: 10.1364/OE.27.011516.
  4. Leach J, Dennis MR, Courtial J, Padgett MJ. Knotted threads of darkness. Nature 2004; 432: 165. DOI: 10.1038/432165a.
  5. Dennis MR, King RP, Jack B, O’Holleran K, Padgett MJ. Isolated optical vortex knots. Nat Phys 2010; 6: 118-121. DOI: 10.1038/nphys1504.
  6. Sugic D, Dennis MR. Singular knot bundle in light. J Opt Soc Am A 2018; 35(12): 1987-1999. DOI: 10.1364/JOSAA.35.001987.
  7. Kotlyar VV, Stafeev SS, Nalimov AG, Kovalev AA, Porfirev AP. Mechanism of formation of an inverse energy flow in a sharp focus. Phys Rev A 2020; 101(3): 033811. DOI: 10.1103/PhysRevA.101.033811.
  8. Yang X, Mou Y, Zapata R, Reynier B, Gallas B, Mivelle M. An inverse Faraday effect generated by linearly polarized light through a plasmonic nano-antenna. Nanophotonics 2023; 12(4): 687-694. DOI: 10.1515/nanoph-2022-0488.
  9. Zhou S, Rui G, Chen H, Zhan Q. Diffraction-limited optical focusing with arbitrarily oriented magnetic field. J Opt 2019; 21(4): 045610. DOI: 10.1088/2040-8986/ab0f8f.
  10. Zhao K, Zhang Z, Zang H, Du J, Lu Y, Wang P. Generation of pure longitudinal magnetization focal spot with a triplex metalens. Opt Lett 2021; 46(8): 1896-1899. DOI: 10.1364/OL.422351.
  11. 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. DOI: 10.1364/OE.19.026132.
  12. Kotlyar VV, Nalimov AG, Kovalev AA, Porfirev AP, Stafeev SS. Spin-orbit and orbit-spin conversion in the sharp focus of laser light: Theory and experiment. Phys Rev A 2020; 102(3): 033502. DOI: 10.1103/PhysRevA.102.033502.
  13. Devlin EC, Ambrosio A, Wintz D, Oscurato SL, Zhu AY, Khorasaninejad M, Oh J, Maddalena P, Capasso F. Spin-to-orbital angular momentum conversion in dielectric metasurfaces. Opt Express 2017; 25(1): 377-393. DOI: 10.1364/OE.25.000377.
  14. Leyder C, Romanelli M, Karr JP, Giacobino E, Liew TCH, Glazov MM, Kavokin AV, Malpuech G, Bramati A. Observation of the optical spin Hall effect. Nature Phys 2007; 3(9): 628-631. DOI: 10.1038/nphys676.
  15. Li H, Ma C, Wang J, Tang M, Li X. Spin-orbit Hall effect in the tight focusing of a radially polarized vortex beam. Opt Express 2021; 29(24): 39419-39427. DOI: 10.1364/OE.443271.
  16. 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.
  17. Kotlyar VV, Stafeev SS, Zaitsev VD, Kovalev AA. Multiple optical spin-orbit Hall effect at the tight focus. Phys Lett A 2023; 458: 128596. DOI: 10.1016/j.physleta.2022.128596.
  18. 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.
  19. 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.
  20. 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.
  21. 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.
  22. Zhai Y, Cao L, Liu Y, Tan X. A review of polarization-sensitive materials for polarization holography. Materials 2020; 13(23): 5562. DOI: 10.3390/ma13235562.
  23. Merte M, Freimuth F, Go D, Adamantopoulos T, Lux FR, Plucinski L, Gomonay O, Blügel S, Mokrousov Y. Photocurrents, inverse Faraday effect, and photospin Hall effect in Mn2Au. APL Mater 2023; 11(7): 071106. DOI: 10.1063/5.0149955.

© 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