(49-4) 01 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Направление потоков энергии в фокусе цилиндрических вихревых векторных пучков
В.В. Котляр 1,2, А.А. Ковалёв 1,2, А.Г. Налимов 1,2, А.М. Телегин 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, 3123 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1607

Страницы: 531-540.

Аннотация:
В работе аналитически с помощью формализма Ричардса–Вольфа и с помощью моделирования показано, что при острой фокусировке оптического вихря с круговой поляризацией в плоскости фокуса имеют место три потока энергии: прямой продольный, обратный продольный и азимутальный поперечный. Причем вращение энергии на разных расстояниях от оптической оси происходит в разных направлениях. Поэтому плоскость фокуса вдоль оптической оси пересекает в единицу времени только часть начальной энергии пучка. Такая же часть (при прочих равных условиях) пересекает плоскость фокуса вдоль положительного направления оптической оси, если сфокусировать оптический вихрь с цилиндрической поляризацией. Отличие состоит в том, что если присутствует оптический вихрь, то поперечный поток энергии в фокусе вращается вокруг оптической оси, а если оптический вихрь отсутствует (пучок только с цилиндрической поляризацией), то в плоскости фокуса в среднем поперечный поток равен нулю, но в некоторых местах плоскости фокуса поток направлен к оптической оси, а в некоторых местах – от оптической оси.

Ключевые слова:
круговая поляризация, продольный поток энергии, поперечный поток энергии, оптический вихрь, разновидность эффекта Холла.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-12-00236 (в части теории) и в рамках Государственного задания НИЦ «Курчатовский институт» (в части моделирования).

Цитирование:
Котляр, В.В. Направление потоков энергии в фокусе цилиндрических вихревых векторных пучков / В.В. Котляр, А.А. Ковалёв, А.Г. Налимов, А.М. Телегин // Компьютерная оптика. – 2025. – Т. 49, № 4. – С. 531-540. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1607.

Citation:
Kotlyar VV, Kovalev AA, Nalimov AG, Telegin AM. Direction of energy flows at the focus of cylindrical vortex vector beams. Computer Optics 2025; 49(4): 531-540. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1607.

References:
  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Arzola AV, Chvátal L, Jákl P, et al. Spin to orbital light momentum conversion visualized by particle trajectory. Sci Rep 2019; 9: 4127. DOI: 10.1038/s41598-019-40475-z.
  5. Guo JX, Wang WY, Cheng TY, Lü JQ. Interaction of spin-orbit angular momentum in the tight focusing of structured light. Front Phys 2022; 10: 1079265. DOI: 10.3389/fphy.2022.1079265.
  6. Wu Y, Yu P, Liu Y, Wang Z, Li Y, Gong L. Time-varying optical spin-orbit interactions in tight focusing of self-torqued beams. J Lightw Technol 2023; 41(7): 2252-2258. DOI: 10.1109/JLT.2022.3210953.
  7. Jera ES, Ragb HK, Kyamo MJ, Darwish OM, Buaossa N. Spin-orbital angular momentum conversion under high NA focusing of vertically polarized vortex beam. NAECON 2021 – IEEE National Aerospace and Electronics Conference, Dayton, OH, USA 2021: 150-153. DOI: 10.1109/NAECON49338.2021.9696383.
  8. Graydon O. Photonic wheel. Nature Photon 2013; 7: 672. DOI: 10.1038/nphoton.2013.229.
  9. Aiello A, Banzer P, Neugebauer M, et al. From transverse angular momentum to photonic wheels. Nat Photonics 2015; 9: 789-795. DOI: 10.1038/nphoton.2015.203.
  10. Miao W, Pang X, Liu W. Photonic wheels and their topological reaction in a strongly focused amplitude tailored beam. IEEE Photon J 2020; 12(2): 6500709. DOI: 10.1109/JPHOT.2020.2981347.
  11. Berškys J, Orlov S. Interaction of photonic wheel with cluster of nanoparticles. 2021 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and European Quantum Electronics Conference, OSA Technical Digest 2021: eg_p_10.
  12. Galvez EJ, Dutta I, Beach K, et al. Multitwist Möbius strips and twisted ribbons in the polarization of paraxial light beams. Sci Rep 2017; 7: 13653. DOI: 10.1038/s41598-017-13199-1.
  13. Bauer T, et al. Observation of optical polarization Möbius strips. Science 2015; 347: 964-966. DOI: 10.1126/science.1260635.
  14. Angelsky OV, Mokhun II, Bekshaev AYa, Zenkova CYu, Zheng J. Polarization singularities: Topological and dynamical aspects. Front Phys 2023; 11. 1147788. DOI: 10.3389/fphy.2023.1147788.
  15. Wan C, Zhan Q. Generation of exotic optical polarization Möbius strips. Opt Express 2019; 27(8): 11516-11524. DOI: 10.1364/OE.27.011516.
  16. Bliokh KY, Alonso MA, Sugic D, Perrin M, Nori F, Brasselet E. Polarization singularities and Möbius strips in sound and water-surface waves. Phys Fluids 2021; 33(7): 077122. DOI: 10.1063/5.0056333.
  17. Freund I. Polarization Möbius strips on elliptical paths in three-dimensional optical fields. Opt Lett 2020; 45(12): 3333-3336. DOI: 10.1364/OL.392331.
  18. Shu W, Lin C, Wu J, Chen S, Ling X, Zhou X, Luo H, Wen S. Three-dimensional spin Hall effect of light in tight focusing. Phys Rev A 2020; 101(2): 023819. DOI: 10.1103/PhysRevA.101.023819.
  19. Zhang M, Ren H, Xu O, Jiang M, Lu Y, Hu Y, Fu S, Li Z, Chen Z, Guan BO, Cao Y, Li X. Nanointerferometric discrimination of the spin-orbit Hall effect. ACS Photon 2021; 8(4): 1169-1174. DOI: 10.1021/acsphotonics.1c00087.
  20. Wang W, Zhao R, Kang Q, Wang R, Liu X, Liu T, Fan SW, Guo Z. Photonic spin Hall effect driven broadband multi-focus dielectric metalens. Appl Opt 2023; 62(30): 8159-8167. DOI: 10.1364/AO.502888.
  21. Neugebauer M, et al. Experimental demonstration of the geometric spin Hall effect of light in highly focused vector beams. 2012 Conf on Lasers and Electro-Optics (CLEO), San Jose, CA, USA 2012: 1-2. DOI: 10.1364/QELS.2012.QW1E.4.
  22. 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.
  23. Ignatyeva DO, Davies CS, Sylgacheva DA, et al. Plasmonic layer-selective all-optical switching of magnetization with nanometer resolution. Nat Commun 2019; 10(1): 4786. DOI: 10.1038/s41467-019-12699-0.
  24. Hendriks F, Rojas-Lopez RR, Koopmans B, Guimarães MHD. Electric control of optically-induced magnetization dynamics in a van der Waals ferromagnetic semiconductor. Nat Commun 2024; 15(1): 1298. DOI: 10.1038/s41467-024-45623-2.
  25. Zhou J, Ma H, Zhang Y, Zhang S, Min C, Yuan X. Energy flow inversion in an intensity-invariant focusing field. Opt Lett 2022; 47(6): 1494-1497. DOI: 10.1364/OL.449056.
  26. Wu Y, Hu X, Li Y, Chen R. Energy backflow in tightly focused fractional order vector vortex beams with binary topological charges. Photonics 2023; 10(7): 820. DOI: 10.3390/photonics10070820.
  27. Li H, Wang C, Tang M, Li X. Controlled negative energy flow in the focus of a radial polarized optical beam. Opt Express 2020; 28(13): 18607-18615. DOI: 10.1364/OE.391398.
  28. Mitri FG. Reverse propagation and negative angular momentum density flux of an optical nondiffracting nonparaxial fractional Bessel vortex beam of progressive waves. J Opt Soc Am A 2016; 33(9): 1661-1667. DOI: 10.1364/JOSAA.33.001661.
  29. Shen Y, Zhang Q, Shi P, et al. Optical skyrmions and other topological quasiparticles of light. Nat Photonics 2024; 18: 15-25. DOI: 10.1038/s41566-023-01325-7.
  30. Zeng Y, Yu Y, Shen X, Chen J, Zhan Q. Tightly focused optical skyrmions and merons formed by electric-field vectors with prescribed characteristics. Nanophotonics 2024; 13(2): 251-261. DOI: 10.1515/nanoph-2023-0741.
  31. Barnett SM, Cisowski CM, McWilliam A, Speirits FC, Ye Z, Götte JB, Franke-Arnold S. Optical skyrmions. Proc SPIE 2023; 12647: 126470A. DOI: 10.1117/12.2676688.
  32. Moh KJ, Yuan XC, Bu J, Burge RE, Gao BZ. Generating radial or azimuthal polarization by axial sampling of circularly polarized vortex beams. Appl Opt 2007; 46(30): 7544-7551. DOI: 10.1364/ao.46.007544.
  33. Zhan Q. Cylindrical vector beams: from mathematical concepts to applications. Adv Opt Photon 2019; 1(1): 1-57. DOI: 10.1364/AOP.1.000001.
  34. Beckley AM, Brown TG, Alonso MA. Full Poincaré beams. Opt Express 2010; 18(10): 10777-10785. DOI: 10.1364/OE.18.010777.
  35. Naidoo D, Roux F, Dudley A, et al. Controlled generation of higher-order Poincaré sphere beams from a laser. Nat Photonics 2016; 10(5): 327-332. DOI: 10.1038/nphoton.2016.37.
  36. Kotlyar VV, Kovalev AA, Telegin AM. Angular and orbital angular momenta in the tight focus of a circularly polarized optical vortex. Photonics 2023; 10(2): 160. DOI: 10.3390/photonics10020160.
  37. Kotlyar VV, Stafeev SS, Zaitsev VD, Telegin AM, Kozlova ES. Spin-orbital transformation in a tight focus of an optical vortex with circular polarization. Appl Sci 2023; 13(14): 8361. DOI: 10.3390/app13148361.
  38. Kotlyar VV, Stafeev SS, Telegin AM. Spin angular momentum at the tight focus of a cylindrical vector beam with an imbedded optical vortex. Optik 2023; 287: 171103. DOI: 10.1016/j.ijleo.2023.171103.
  39. 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.
  40. Ghosh B, Daniel A, Gorzkowski B, Bekshaev AY, Lapkiewicz R, Bliokh KY. Canonical and Poynting currents in propagation and diffraction of structured light: tutorial. J Opt Soc Am B 2024; 41(6): 1276-1289. DOI: 10.1364/JOSAB.522393.

© 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