(49-5) 01 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Индекс сингулярности и орбитальный угловой момент пучка с гибридной поляризационной сингулярностью
В.В. Котляр 1,2, А.А. Ковалев 1,2, 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, 1302 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1624

Страницы: 707-714.

Аннотация:
Кроме скалярных оптических вихрей, имеющих топологический заряд, спиральный волновой фронт и несущих орбитальный угловой момент, который может передаваться частицам и вращать их по круговым траекториям, известны и поляризационные оптические вихри, у которых состояние поляризации в сечении пучка изменяется с изменением азимутального угла. У таких вихрей есть точки поляризационной сингулярности, которые описываются индексами, аналогичными топологическому заряду. Но до сих пор не рассматривались поляризационные орбитальные угловые моменты для поляризационных вихрей. Хотя лазерные пучки с неоднородной поляризацией могут осуществлять спиральный перенос вещества в средах, чувствительных к поляризации. В данной работе рассмотрены два возможных определения поляризационных орбитальных угловых моментов. Один орбитальный угловой момент пропорционален азимутальной скорости изменения направления вектора линейной поляризации, а второй (гибридный орбитальный угловой момент) пропорционален азимутальной скорости изменения степени эллиптичности эллипса поляризации. Например, нормированный поляризационный орбитальный угловой момент равен порядку цилиндрического векторного пучка и также равен порядку пучка Пуанкаре.

Ключевые слова:
орбитальный угловой момент, индекс поляризационной сингулярности, вектор Стокса, неоднородная поляризация.

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. Индекс сингулярности и орбитальный угловой момент пучка с гибридной поляризационной сингулярностью / В.В. Котляр, А.А. Ковалев, С.С. Стафеев // Компьютерная оптика. – 2025. – Т. 49, № 5. – С. 707-714. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1624.

Citation:
Kotlyar VV, Kovalev AA, Stafeev SS. Singularity index and orbital angular momentum of a beam with a hybrid polarization singularity. Computer Optics 2025; 49(5): 707-714. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1624.

References:
  1. Berry MV. Optical vortices evolving from helicoidal integer and fractional phase steps. J Opt A 2004; 6(2): 259-268. DOI: 10.1088/1464-4258/6/2/018.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Freund I. Polarization singularity indices in Gaussian laser beams. Opt Commun 2002; 201(4-6): 251-270. DOI: 10.1016/S0030-4018(01)01725-4.
  5. Zhan Q. Cylindrical vector beams: from mathematical concepts to applications. Adv Opt Photonics 2009; 1(1): 1-57. DOI: 10.1364/AOP.1.000001.
  6. He H, Friese MEJ, Heckenberg NR, Rubinsztein-Dunlop H. Direct observation of transfer of angular momentum to absorptive particles from a laser beam with a phase singularity. Phys Rev Lett 1995; 75(5): 826-829. DOI: 10.1103/PhysRevLett.75.826
  7. Ambrosio A, Maddalena P, Marrucci L. Molecular model for light-driven spiral mass transport in azopolymer films. Phys Rev Lett 2013; 110(14): 146102. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.146102.
  8. 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.
  9. Porfirev A, Khonina S, Porfirev D, Ivliev N. Structured polarized laser beams for controlled spiral-shaped mass transfer in azopolymer thin films. Appl Opt 2024; 63(14): 3779-3784. DOI: 10.1364/AO.521196.
  10. 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 A 1909; 82(557): 560-567. DOI: 10.1098/rspa.1909.0060.
  11. 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.
  12. Friese MEJ, Enger J, Rubinsztein-Dunlop H, Heckenberg NR. Optical angular-momentum transfer to trapped absorbing particles. Phys Rev A 1996; 54(2): 1593-1596. DOI: 10.1103/PhysRevA.54.1593.
  13. Zhao Y, Zhou L, Jiang X, Zhu L, Shi Q. Optical force effects of Rayleigh particles by cylindrical vector beams. Nanomaterials 2024; 14(8): 691. DOI: 10.3390/nano14080691.
  14. Albaladejo S, Marqués MI, Laroche M, Sáenz JJ. Scattering forces from the curl of the spin angular momentum of a light field. Phys Rev Lett 2009; 102(11): 113602. DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.113602.
  15. Baranova NB, Zel’dovich BY, Scully MO. Acceleration of charged particles by laser beams. JETP 1994; 78(3): 249-258.
  16. Mellado VH, Hacyan S, Jauregui R. Trapping and acceleration of charged particles in Bessel beams. Laser Part Beams 2006; 24(4): 559-566. DOI: 10.1017/S0263034606060745.
  17. Polak K, Gayde J-C, Sulc M. 3D Polarisation of a structured laser beam and prospects for its application to charged particle acceleration. J Phys Conf Ser 2024; 2687(4): 042003. DOI: 10.1088/1742-6596/2687/4/042003.
  18. Maragò OM, Jones PH, Gucciardi PG, Volpe G, Ferrari AC. Optical trapping and manipulation of nanostructures. Nat Nanotechnol 2013; 8(11): 807-819. DOI: 10.1038/nnano.2013.208.
  19. 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. DOI: 10.1364/OE.27.035336.
  20. Yang R, Li R, Qin S, Ding C, Mitri FG. Direction reversal of the optical spin torque on a Rayleigh absorptive sphere in vector Bessel polarized beams. J Opt 2017; 19(2): 025602. DOI: 10.1088/2040-8986/19/2/025602.
  21. 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. Nat Phys 2007; 3(9): 628–631. DOI: 10.1038/nphys676.
  22. 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.
  23. 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.
  24. Graydon O. Photonic wheel. Nat Photonics 2013; 7(9): 672-672. DOI: 10.1038/nphoton.2013.229.
  25. 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.
  26. 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.
  27. Nieminen TA, Stilgoe AB, Heckenberg NR, Rubinsztein-Dunlop H. Angular momentum of a strongly focused Gaussian beam. J Opt A 2008; 10(11): 115005. DOI: 10.1088/1464-4258/10/11/115005.
  28. 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.
  29. Kotlyar VV, Stafeev SS, Kozlova ES, Butt MA. High-order orbital and spin Hall effects at the tight focus of laser beams. Photonics 2022; 9(12): 970. DOI: 10.3390/photonics9120970.
  30. Kotlyar VV, Stafeev SS. Orbital and spin energy flows in tight focus. Optik 2021; 245: 167703. DOI: 10.1016/j.ijleo.2021.167703.
  31. Bansal S, Senthilkumaran P. Stokes polarimetry with Poincaré–Hopf index beams. Opt Lasers Eng 2023; 160: 107295. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2022.107295.
  32. Ruchi, Senthilkumaran P, Pal SK. Phase Singularities to Polarization Singularities. Int J Opt 2020; 2020: 2812803. DOI: 10.1155/2020/2812803.
  33. Kotlyar VV, Kovalev AA, Zaitsev VD. Topological charge of light fields with a polarization singularity. Photonics 2022; 9(5): 298. DOI: 10.3390/photonics9050298.
  34. Fang L, Wang J. Optical angular momentum derivation and evolution from vector field superposition. Opt Express 2017; 25(19): 23364-23375. DOI: 10.1364/OE.25.023364.
  35. Kotlyar VV, Kovalev AA, Porfirev AP. Astigmatic transforms of an optical vortex for measurement of its topological charge. Appl Opt 2017; 56(14): 4095-4104. DOI: 10.1364/AO.56.004095.

© 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