(49-4) 02 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Спин-орбитальная конверсия в остром фокусе светового пучка с круговой поляризацией
В.В. Котляр 1,2, А.А. Ковалёв 1,2, А.Г. Налимов 1,2, А.М. Телегин 2, С.С. Стафеев 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, 1307 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1619

Страницы: 541-548.

Аннотация:
Известно, что при острой фокусировке оптического вихря с круговой поляризацией происходит спин-орбитальное преобразование. При этом обычно говорится, что продольная компонента вектора спинового углового момента трансформируется в продольную компоненту вектора орбитального углового момента. В этой работе показано, что начальный продольный спиновый угловой момент, усредненный по сечению пучка, сохраняется при фокусировке и часть продольной компоненты спинового углового момента трансформируется в поперечную компоненту спинового углового момента. Также и усредненный по сечению пучка начальный продольный поток энергии при фокусировке сохраняется и часть его продольной компоненты переходит в азимутальную компоненту. При этом продольная компонента вектора орбитального углового момента, усредненная по сечению пучка в фокусе, увеличивается как раз на величину, равную усредненному азимутальному орбитальному (каноническому) потоку энергии в фокусе. Азимутальный поток энергии в фокусе формируется из-за того, что свет с правой круговой поляризацией при фокусировке формирует два оптических вихря: поперечный с топологическим зарядом 2 с левой круговой поляризацией и продольный с топологическим зарядом 1.

Ключевые слова:
острая фокусировка, поляризация, спиновый угловой момент, орбитальный угловой момент, спин-орбитальная конверсия.

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. Спин-орбитальная конверсия в остром фокусе светового пучка с круговой поляризацией / В.В. Котляр, А.А. Ковалев, А.Г. Налимов, А.М. Телегин, С.С. Стафеев // Компьютерная оптика. – 2025. – Т. 49, № 4. – С. 541-548. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1619.

Citation:
Kotlyar VV, Kovalev AA, Nalimov AG, Telegin AM, Stafeev SS. Spin-orbit conversion at the sharp focus of a circularly polarized light beam. Computer Optics 2025; 49(4): 541-548. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1619.

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. DOI: 10.1098/rspa.1909.0060.
  2. Beth RA. Mechanical detection and measurement of the angular momentum of light. Phys Rev 1936; 50(2): 115-125. DOI: 10.1103/PhysRev.50.115.
  3. Allen L, Beijersbergen MW, Spreeuw RJC, Woerdman JP. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes. Phys Rev A 1992; 45(11): 8185-8189. DOI: 10.1103/PhysRevA.45.8185.
  4. 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. DOI: 10.1364/OPEX.13.010440.
  5. Bomzon Z, Gu M, Shamir J. Angular momentum and geometrical phases in tight-focused circularly polarized plane waves. Appl Phys Lett 2006; 89(24): 241104. DOI: 10.1063/1.2402909.
  6. Richards B, Wolf E. Electromagnetic diffraction in optical systems. II. Structure of the image field in an aplanatic system. Proc R Soc A 1959; 253(1274): 358-379. DOI: 10.1098/rspa.1959.0200.
  7. Bomzon Z, Gu M. Space-variant geometrical phases in focused cylindrical light beams. Opt Lett 2007; 32(20): 3017-3019. DOI: 10.1364/OL.32.003017.
  8. Zhao Y, Edgar JS, Jeffries GDM, McGloin D, Chiu DT. Spin-to-orbital angular momentum conversion in a strongly focused optical beam. Phys Rev Lett 2007; 99(7): 073901. DOI: 10.1103/PhysRevLett.99.073901.
  9. Nieminen TA, Stilgoe AB, Heckenberg NR, Rubinsztein-Dunlop H. Angular momentum of a strongly focused Gaussian beam. J Opt A Pure Appl Opt 2008; 10(11): 115005. DOI: 10.1088/1464-4258/10/11/115005.
  10. Zhao Y, Shapiro D, Mcgloin D, Chiu DT, Marchesini S. Direct observation of the transfer of orbital angular momentum to metal particles from a focused circularly polarized Gaussian beam. Opt Express 2009; 17(25): 23316-23322. DOI: 10.1364/OE.17.023316.
  11. Gorodetski Y, Niv A, Kleiner V, Hasman E. Observation of the spin-based plasmonic effect in nanoscale structures. Phys Rev Lett 2008; 101(4): 043903. DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.043903.
  12. Monteiro PB, Neto PAM, Nussenzveig HM. Angular momentum of focused beams: Beyond the paraxial approximation. Phys Rev A 2009; 79(3): 033830. DOI: 10.1103/PhysRevA.79.033830.
  13. Rodríguez-Herrera OG, Lara D, Bliokh KY, Ostrovskaya EA, Dainty C. Optical nanoprobing via spin-orbit interaction of light. Phys Rev Lett 2010; 104(25): 253601. DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.253601.
  14. Foreman MR, Török P. Spin-orbit coupling and conservation of angular momentum flux in non-paraxial imaging of forbidden radiation. New J Phys 2011; 13(6): 063041. DOI: 10.1088/1367-2630/13/6/063041.
  15. 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/OL.32.003017.
  16. 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.
  17. Arzola A V., Chvátal L, Jákl P, Zemánek P. Spin to orbital light momentum conversion visualized by particle trajectory. Sci Rep 2019; 9(1): 4127. DOI: 10.1038/s41598-019-40475-z.
  18. Guo J-X, Wang W-Y, Cheng T-Y, Lü J-Q. Interaction of spin-orbit angular momentum in the tight focusing of structured light. Front Phys 2022; 10: 1079265. DOI: 10.3389/fphy.2022.1079265.
  19. 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 Light Technol 2023; 41(7): 2252-2258. DOI: 10.1109/JLT.2022.3210953.
  20. Bliokh KY, Rodríguez-Fortuño FJ, Nori F, Zayats A V. Spin-orbit interactions of light. Nat Photonics 2015; 9(12): 796-808. DOI: 10.1038/nphoton.2015.201.
  21. Graydon O. Photonic wheel. Nat Photonics 2013; 7(9): 672-672. DOI: 10.1038/nphoton.2013.229.
  22. Aiello A, Banzer P, Neugebauer M, Leuchs G. From transverse angular momentum to photonic wheels. Nat Photonics 2015; 9(12): 789-795. DOI: 10.1038/nphoton.2015.203.
  23. Miao W, Pang X, Liu W. Photonic wheels and their topological reaction in a strongly focused amplitude tailored beam. IEEE Photonics J 2020; 12(2): 6500709. DOI: 10.1109/JPHOT.2020.2981347.
  24. Berškys J, Orlov S. Interaction of photonic wheel with cluster of nanoparticles. 2021 Conf on Lasers and Electro-Optics Europe and European Quantum Electronics Conf 2021: eg_p_10. DOI: 10.1364/EQEC.2021.eg_p_10.
  25. 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.
  26. Bauer T, Banzer P, Karimi E, et al. Observation of optical polarization Möbius strips. Science 2015; 347(6225): 964-966. DOI: 10.1126/science.1260635.
  27. Angelsky OV, Mokhun II, Bekshaev AY, Zenkova CY, Zheng J. Polarization singularities: Topological and dynamical aspects. Front Phys 2023; 11: 1147788. DOI: 10.3389/fphy.2023.1147788.
  28. Wan C, Zhan Q. Generation of exotic optical polarization Möbius strips. Opt Express 2019; 27(8): 11516-11524. DOI: 10.1364/OE.27.011516.
  29. 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.
  30. 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.
  31. Shu W, Lin C, Wu J, et al. Three-dimensional spin Hall effect of light in tight focusing. Phys Rev A 2020; 101(2): 023819. DOI: 10.1103/PhysRevA.101.023819.
  32. Zhang M, Ren H, Ouyang X, et al. Nanointerferometric discrimination of the spin-orbit Hall effect. ACS Photonics 2021; 8(4): 1169-1174. DOI: 10.1021/acsphotonics.1c00087.
  33. Wang W, Zhao R, Kang Q, et al. Photonic spin Hall effect driven broadband multi-focus dielectric metalens. Appl Opt 2023; 62(30): 8159-8167. DOI: 10.1364/AO.502888.
  34. Neugebauer M, Banzer P, Bauer T, et al. Experimental demonstration of the geometric spin Hall effect of light in highly focused vector beams. Conf on Lasers and Electro-Optics 2012: QW1E.4. DOI: 10.1364/QELS.2012.QW1E.4.
  35. 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.
  36. 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.
  37. 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.
  38. 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.
  39. 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.
  40. 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.
  41. 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.
  42. Shen Y, Zhang Q, Shi P, Du L, Yuan X, Zayats AV. Optical skyrmions and other topological quasiparticles of light. Nat Photonics 2024; 18(1): 15-25. DOI: 10.1038/s41566-023-01325-7.
  43. 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/html.
  44. Barnett SM, Cisowski C, McWilliams A, et al. Optical skyrmions. Proc SPIE 2023; 12647: 126470A. DOI: 10.1117/12.2676688.
  45. 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.
  46. 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.
  47. 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.
  48. 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.

© 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