(50-3) 01 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Распределение плотности орбитального углового момента в остром фокусе векторных световых полей
В.В. Котляр1,2, А.А. Ковалев1,2, А.Г. Налимов1,2, А.М. Телегин2

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

  Полный текст (PDF)

DOI: 10.18287/COJ1719

ID статьи: 1719

Аннотация:
В этой работе мы получили явные аналитические выражения для плотности продольной проекции вектора орбитального углового момента в плоскости острого фокуса четырех световых полей с однородной и неоднородной поляризациями: оптического вихря с эллиптической поляризацией, суперпозиции цилиндрического векторного пучка и пучка с линейной поляризацией, оптического вихря с цилиндрической поляризацией и пучка с неоднородной эллиптической поляризацией. Все плотности орбитального углового момента для этих четырех полей зависят от состояния поляризации начального светового поля. Для двух световых полей с гибридной поляризацией плотность орбитального углового момента в фокусе меняет знак при изменении как азимутальной, так и радиальной координаты. Известно, что в случае параксиальных оптических вихрей с эллиптической поляризацией плотность орбитального углового момента не зависит от состояния поляризации, а полностью определяется топологическим зарядом оптического вихря. Поэтому в параксиальном случае азимутальный орбитальный поток энергии вращается всегда в одну сторону, определяемую знаком топологического заряда оптического вихря. Однако в случае непараксиальных световых полей, как показано в этой работе, плотность орбитального углового момента в фокусе зависит от состояния поляризации и на разных расстояниях от оптической оси поток энергии может вращаться в разные стороны.

Ключевые слова:
орбитальный угловой момент, топологический заряд, оптический вихрь, поток энергии.

Благодарности:
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 26-12-0011, в теоретической части и в рамках выполнения работ по Государственному заданию НИЦ «Курчатовский институт» в части моделирования.

Цитирование:
Котляр, В.В. Распределение плотности орбитального углового момента в остром фокусе векторных световых полей / В.В. Котляр, А.А. Ковалёв, А.Г. Налимов, А.М. Телегин // Компьютерная оптика. -2026. -Т. 50, № 3. -1719. -DOI: 10.18287/COJ1719.

Citation:
Kotlyar VV, Kovalev AA, Nalimov AG, Telegin AM. Orbital angular momentum density distribution at the sharp focus of vector light fields. Computer Optics 2026; 50(3): 1719. DOI: 10.18287/COJ1719.

References:

  1. Forbes A, de Oliveira M, Dennis MR. Structured light. Nat Photonics. 2021; 15: 253-262. doi:10.1038/s41566-021-00780-4.
  2. He C, Shen Y, Forbes A. Towards higher-dimensional structured light. Light Sci Appl. 2022; 11: 205. doi:10.1038/s41377-022-00897-3.
  3. Shen Y, Wang X, Xie Z, et al. Optical vortices 30 years on: OAM manipulation from topological charge to multiple singularities. Light Sci Appl. 2019; 8: 90. doi:10.1038/s41377-019-0194-2.
  4. Wang J. Advances in communications using optical vortices. Photon Res. 2016; 4: B14-B28.
  5. Bustamante CJ, Chemla YR, Liu S, et al. Optical tweezers in single-molecule biophysics. Nat Rev Methods Primers. 2021; 1: 25. doi:10.1038/s43586-021-00021-6.
  6. Slussarenko S, Joch DJ, Tischler N, et al. Quantum steering with vector vortex photon states with the detection loophole closed. npj Quantum Inf. 2022; 8: 20. doi:10.1038/s41534-022-00531-5.
  7. Zhang B, Daly S, Zhu C, Lenz MO, Weiss LE, Needham LM, Peters R, Lee SF, O'Holleran K. Vortex light field microscopy: 3D spectral single-molecule imaging with a twist. Optica. 2024; 11: 1519-1525.
  8. Kawaguchi H, Yasuhara R, Yang H, Hori C, Miyagawa R, Sugioka K, Ota M, Uehara H. Femtosecond vector vortex laser ablation in tungsten: chiral nano-micro texturing and structuring. Opt Mater Express. 2024; 14: 424-434.
  9. Allen L, Beijersbergen MW, Spreeuw RJC, et al. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes. Phys Rev A. 1992; 45: 8185-8189.
  10. Allen L, Padgett MJ. The Poynting vector in Laguerre-Gaussian beams and the interpretation of their angular momentum density. Opt Commun. 2000; 184: 67-71.
  11. Wang XL, Chen J, Li YN, et al. Optical orbital angular momentum from the curl of polarization. Phys Rev Lett. 2010; 105: 253602.
  12. Huang S, Zhang G, Wang Q, et al. Spin-to-orbital angular momentum conversion via light intensity gradient. Optica. 2021; 8: 1231-1236.
  13. Kotlyar VV, Kovalev AA, Porfirev AP. Radial dependence of the angular momentum density of a paraxial optical vortex. Phys Rev A. 2018; 97: 053833. doi:10.1103/PhysRevA.97.053833.
  14. 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: 1276-1289.
  15. Kovalev AA, Kotlyar VV, Stafeev SS. Spin Hall Effect in the Paraxial Light Beams with Multiple Polarization Singularities. Micromachines. 2023; 14: 777. doi:10.3390/mi14040777.
  16. Bliokh KY, Nori F. Transverse and longitudinal angular momenta of light. Phys Rep. 2015; 592: 1-38.
  17. Bliokh KY, Rodríguez-Fortuño FJ, Nori F, et al. Spin-orbit interactions of light. Nat Photonics. 2015; 9: 796-808.
  18. Bliokh KY, Alonso MA, Ostrovskaya EA, et al. Angular momenta and spin-orbit interaction of nonparaxial light in free space. Phys Rev A. 2010; 82: 063825.
  19. 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: 358-379.
  20. 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.
  21. Kotlyar VV, Kovalev AA, Stafeev SS, Telegin AM. Orbital angular momentum at the tight focus of a circularly polarized Gaussian beam. J Opt Soc Am A. 2025; 42: 52-58. doi:10.1364/JOSAA.543260.
  22. Kovalev AA, Kotlyar VV. Spin Hall Effect of Double-Index Cylindrical Vector Beams in a Tight Focus. Micromachines. 2023; 14: 494.
  23. Kotlyar VV, Stafeev SS, Nalimov AG. Sharp focusing of a hybrid vector beam with a polarization singularity. Photonics. 2021; 8: 227. doi:10.3390/photonics8060227.
  24. 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.
  25. Kotlyar VV, Stafeev SS, Kozlova ES, Nalimov AG. Spin-orbital conversion of a strongly focused light wave with high-order cylindrical-circular polarization. Sensors. 2021; 21(19): 6424. doi:10.3390/s21196424.

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