Моделирование генерации оптических вихрей с помощью спиральной зонной пластинки из серебра
Козлова Е.С.

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34,

ИСОИ РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, 443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151

Аннотация:
С помощью FDTD-метода, реализованного в пакете FullWAVE (RSoft), промоделирован процесс формирования оптических вихрей в ходе распространения Гауссова пучка с круговой (левой или правой) поляризацией через фазовую и амплитудную спиральные зонные пластинки с топологическим зарядом 2, диаметром 8 мкм, фокусным расстоянием 532 нм. Исследование амплитуды и фазы распределений в фокальной плоскости показывает наличие оптических вихрей с топологическим зарядом 2. Анализ продольной компоненты вектора Умова–Поинтинга показал наличие обратного потока энергии в области фокуса. При этом в случае использования амплитудной спиральной зонной пластинки величина обратного потока много меньше, чем в случае фазовой спиральной зонной пластинки.

Ключевые слова:
оптические вихри, спиральная зонная пластинка, топологический заряд, круговая поляризация, обратный поток, вектор Умова–Поинтинга, FDTD-метод.

Цитирование:
Козлова, Е.С.
Моделирование генерации оптических вихрей с помощью спиральной зонной пластинки из серебра / Е.С. Козлова // Компьютерная оптика. – 2018. – Т. 42, № 6. – С. 977-984. – DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-6-977-984.

Литература:

  1. Padgett, M.J. Orbital angular momentum 25 years on / M.J. Padgett // Optic Express. – 2017. – Vol. 25, Issue 10. – P. 11265-11274. – DOI: 10.1364/OE.25.011265.
  2. Cheng, K. The Poynting vector and angular momentum density of Swallowtail-Gauss beams / K. Cheng, G. Lu, X. Zhong // Optics Communications. – 2017. – Vol. 396. – P. 58-65. – DOI: 10.1016/j.optcom.2017.03.038.
  3. Котляр, В.В. Орбитальный угловой момент астигматического Гауссова лазерного пучка / В.В. Котляр, А.А. Ковалёв // Компьютерная оптика. – 2017. – Т. 41, № 5. – С. 609-615. – DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41-5-609-616.
  4. Mafakheri, E. Realization of electron vortices with large orbital angular momentum using miniature holograms fabricated by electron beam lithography / E. Mafakheri, A.H. Tavabi, P. Lu, R. Balboni, F. Venturi, C. Menozzi, G.C. Gazzadi, S. Frabboni, A. Sit, R.E. Dunin-Borkowski, E. Karimi, V. Grillo // Applied Physics Letters. – 2017. – Vol. 110, Issue 4. – 093113. – DOI: 10.1063/1.4977879.
  5. Backlund, M.P. The double-helix point spread function enables precise and accurate measurement of 3D single-molecule localization and orientation / M.P. Backlund, M.D. Lew, A.S. Backer, S.J. Sahl, G. Grover, A. Agrawal, R. Piestun, W.E. Moerner // Proceedings of SPIE. – 2013. – Vol. 8590. – 85900L. – DOI: 10.1117/12.2001671.
  6. Lavery, M.P.J. Free-space propagation of high-dimensional structured optical fields in an urban environment / M.P.J. Lavery, C. Peuntinger, K. Gunthner, P. Banzer, D. Elser, R.W. Boyd, M.J. Padgett, C. Marquardt, G. Leuchs // Science Advances. – 2017. – Vol. 3, Issue 10. – e1700552. – DOI: 10.1126/sciadv.1700552.
  7. Morgan, K.S. Free space propagation of concentric vortices through underwater turbid environments / K.S. Morgan, J.K. Miller, B.M. Cochennour, W. Li, Y. Li, R.J. Watkins, E.G. Johnson // Journal of Optics. – 2016. – Vol. 18, Issue 10. – 104004. – DOI: 10.1088/2040-8978/18/10/104004.
  8. Yu, S. Compositing orbital angular momentum beams in Bi4Ge3O12 crystal for magnetic field sensing / S. Yu, F. Pung, H. Liu, X. Li, J. Yang, T. Wang // Applied Physics Letters. – 2017. – Vol. 111, Issue 9. – 091107. – DOI: 10.1063/1.4989651.
  9. Huang, L. Volumetric generation of optical vortices with metasurfaces / L. Huang, X. Song, B. Reineke, T. Li, X. Li, J. Liu, S. Zhang, Y. Wang, T. Zentgraf // ACS Photonics. – 2017. – Vol. 4, Issue 2. – P. 338-346. – DOI: 10.1021/acsphotonics.6b00808.
  10. Liu, Y. Generation of perfect vortex and vector beams based on Pancharatnam-Berry phase elements / Y. Liu, Y. Ke, J. Zhou, Y. Liu, H. Luo, S. Wen, D. Fan // Scientific Reports. – 2017. – Vol. 7. – 44096. – DOI: 10.1038/srep44096.
  11. Котляр, В.В. Формирование и фокусировка векторного оптического вихря с помощью металинзы / В.В. Котляр, А.Г. Налимов // Компьютерная оптика. – 2017. – Т. 41, № 5. – С. 645-654. – DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41-5-645-654.
  12. Sabatyan, A. Radial phase modulated spiral zone plate for generation and manipulation of optical perfect vortex / A. Sabatyan, Z. Behjat // Optical and Quantum Electronics. – 2017. – Vol. 49, Issue 11. – P. 371. – DOI: 10.1007/s11082-017-1211-4.
  13. Zhou, Y. Anisotropic edge enhancement with spiral zone plate under femtosecond laser illumination / Y. Zhou, S. Feng, S. Nie, J. Ma, C. Yuan // Applied Optics. – 2017. – Vol. 56, Issue 10. – P. 2641-2648. – DOI: 10.1364/AO.56.002641.
  14. Wei, L. Fractional spiral zone plates / L. Wei, Y. Gao, X. Wen, Z. Zhao, L. Cao, Y. Gu // Journal of the Optical Society of America A. – 2013. – Vol. 30, Issue 2. – P. 233-237. – DOI: 10.1364/JOSAA.30.000233.
  15. Rafighdoost, J. Spirally phase-shifted zone plate for generating and manipulating multiple spiral beams / J. Rafighdoost, A. Sabatyan // Journal of the Optical Society of America B. – 2017. – Vol. 34, Issue 3. – P. 608-612. – DOI: 10.1364/JOSAB.34.000608.
  16. Ma, L. Spatiotemporal evolutions of ultrashort vortex pulses generated by spiral multi-pinhole plate / L. Ma, P. Zhang, Z. Li, C. Liu, X. Li, Y. Zhang, R. Zhang, C. Cheng // Optics Express. – 2017. – Vol. 25, Issue 24. – P. 29864-29873. – DOI: 10.1364/OE.25.029864.
  17. Liang, Y. Single-focus spiral zone plates / Y. Liang, E. Wang, Y. Hua, C. Xie, T. Ye // Optics Letters. – 2017. – Vol. 42, Issue 13. – P. 2663-2666. – DOI: 10.1364/OL.42.002663.
  18. Couairon, A. Surface physics, nanoscale physics, low-dimensional systems-Filamentation and damage in fused silica induced by tightly focused femtosecond laser pulses / A. Couairon, L. Sudrie, M. Franco, B. Prade, A. Mysyrowicz // Physical Review B. – 2005. – Vol. 71, Issue 12. – 125435. – DOI: 10.1103/PhysRevB.71.125435.
  19. Degtyarev, S.A. Photonic nanohelix generated by a binary spiral axicon / S.A. Degtyarev, A.P. Porfirev, S.N. Khonina // Applied Optics. – 2016. – Vol. 55, Issue 12. – P. B44-B48. – DOI: 10.1364/AO.55.000B44.
  20. Kotlyar, V.V. Tight focusing of laser light using a chromium Fresnel zone plate / V.V. Kotlyar, S.S. Stafeev, A.G. Nalimov, M.V. Kotlyar, L. O’Faolain, E.S. Kozlova // Optics Express. – 2017. – Vol. 25, Issue 17. – P. 19662-19671. – DOI: 10.1364/OE.25.019662.
  21. Kozlova, E.S. Dependence of the focal spot parameters on the relief height of the amplitude zone plate / E.S. Kozlova, V.V. Kotlyar, A.G. Nalimov, S.S. Stafeev, M.V. Kotlyar, L. O'Faolain // Proceedings of the 19th International Conference on Transparent Optical Networks. – 2017. – 8025096. – DOI: 10.1109/ICTON.2017.8025096.
  22. Vial, A. A new model of dispersion for metals leading to a more accurate modeling of plasmonic structures using the FDTD method / A. Vial, T. Laroche, M. Dridi, L. Le Cunff // Applied Physics A. – 2011. – Vol. 103, Issue 3. – P. 849-853. – DOI: 10.1007/s00339-010-6224-9.
  23. Rakić, A.D. Optical properties of metallic films for vertical-cavity optoelectronic devices / A.D. Rakić, A.B. Djurišić, J.M. Elazar, M.L. Majewski // Applied Optics. – 1998. – Vol. 37, Issue 22. – P. 5271-5283. – DOI: 10.1364/AO.37.005271.
  24. Стафеев, С.С. Поведение продольной компоненты вектора Пойнтинга при острой фокусировке оптических вихрей с круговой поляризацией / С.С. Стафеев, А.Г. Налимов // Компьютерная оптика. – 2018. – Т. 42, № 2. – С. 190-196. – DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-2-190-196.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20