Обратный поток энергии у непараксиального оптического вихря в ближней зоне
Котляр В.В., Ковалёв А.А.

ИСОИ РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, 443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151,
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,  443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34

Аннотация:
В работе на основе разложения по плоским волнам получены все шесть проекций векторов напряжённости электрического и магнитного поля для оптического вихря с произвольным целым топологическим зарядом с эллиптической поляризацией. Получены также выражения для распределения интенсивности и проекций вектора Пойнтинга в начальной плоскости этого оптического вихря. В частном случае узкого углового спектра плоских волн (пучок Бесселя) и круговой поляризации показано, что при наличии в начальном световом поле неоднородных затухающих волн вблизи оптической оси может возникать обратный поток световой энергии. Также показано, что в начальной плоскости имеет место эффект «углового трактора», когда на разных радиусах относительно оптической оси поперечный поток энергии вращается по часовой и против часовой стрелки. С помощью полученных общих выражений можно анализировать особенности светового потока и для других известных точных решений уравнения Максвелла.

Ключевые слова:
оптический вихрь, угловой спектр плоских волн, затухающие волны, вектор Пойнтинга, обратный поток мощности, оптический трактор.

Цитирование:
Котляр, В.В.
Обратный поток энергии у непараксиального оптического вихря в ближней зоне / В.В. Котляр, А.А. Ковалёв // Компьютерная оптика. – 2019. – Т. 43, № 1. – С. 54-62. – DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-1-54-62.

Литература:

  1. Diekmann, R. Nanoscopy of bacterial cells immobilized by holographic optical tweezers / R. Diekmann, D.L. Wolfson, C. Spahn, M. Heilemann, M. Schuttpelz, T. Huser // Nature Communications. – 2016. – Vol. 7. – 13711. – DOI: 10.1038/ncomms13711.
  2. Mitri, F.C. Optical tractor Bessel polarized beams / F.C. Mitri, R.X. Li, L.X. Guo, C.Y. Ding // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. – 2017. – Vol. 187. – P. 97-115. – DOI: 10.1016/j.jqsrt.2016.09.023.
  3. Wilk, S.R. The pull of the tractor beam / S.R. Wilk // Optics and Photonics News. – 2009. – Vol. 20. – P. 12-15.
  4. Pfeiffer, C. Generating stable tractor beams with dielectric metasurfaces / C. Pfeiffer, A. Grbic // Physical Review B. – 2015. – Vol. 91, Issue 11. – 115408. – DOI: 10.1103/PhysRevB.91.115408.
  5. Mitri, F.C. Superposition of nonparaxial vectorial complex-source spherically focused beams: Axial Pointing singularity and reverse propagation / F.C. Mitri // Physical Review A. – 2016. – Vol. 94, Issue 2. – 023801. – DOI: 10.1103/PhysRevA.94.023801.
  6. Salem, M.A. Energy flow characteristics of vector X-waves / M.A. Salem, H. Bağci // Optics Express. – 2011. – Vol. 19, Issue 9. – P. 8526-8532. – DOI: 10.1364/OE.19.008526.
  7. Yuan, G.H. Gigantic wavevectors and energy backflow in the focus of a superoscillatory lens / G.H. Yuan, N. Zheludev // 2017 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC). – DOI: 10.1109/CLEOE-EQEC.2017.8087772.
  8. Котляр, В.В. Плотность углового момента параксиального оптического вихря с круговой поляризацией / В.В. Котляр, А.А. Ковалёв // Компьютерная оптика. – 2018. – Т. 42, № 1. – С. 5-12. – DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-1-5-12.
  9. Wang, R. Subwavelength gold grating as polarizers integrated with InP-based InGaAs sensors / R. Wang, T. Li, X. Shao, X. Li, X. Huang, J. Shao, Y. Chen, H. Gong // ACS Applied Materials and Intefaces. – 2015. – Vol. 7, Issue 26. – P. 14471-14476. – DOI: 10.1021/acsami.5b03679.
  10. Kotlyar, V.V. High resolution through gradient-index microoptics / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.G. Nalimov, S.S. Stafeev // Advances in Optical Technoljgies. – 2012. – Vol. 2012. – 647165. – DOI: 10.1155/2012/647165.
  11. Kotlyar, V.V. Analysis of the shape of a subwavelength focal spot for the linear polarized light / V.V. Kotlyar, S.S. Stafeev, Y. Liu, L. O’Faolain, A.A. Kovalev // Applied Optics. – 2013. – Vol. 52, Issue 3. – P. 330-339. – DOI: 10.1364/AO.52.000330.
  12. Čižmár, T. An optical nanotrap array movable over a millimetre range / T. Čižmár, M. Šiler, P. Zemánek // Applied Physics B. – 2006. – Vol. 84, Issues 1-2. – P. 197-203. – DOI: 10.1007/s00340-006-2221-2.
  13. Schouten, H.F. Optical vortices near sub-wavelength structures / H.F. Schouten, T.D. Visser, D. Lenstra // Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics. – 2004. – Vol. 6, Issue 5. – P. S404-S409. – DOI: 10.1088/1464-4266/6/5/031.
  14. Braunbek, W. Einzelheiten zur Halbebenen-Beugung / W. Braunbek, G. Laukien // Optik. – 1952. – Vol. 9. – P. 174-179.
  15. Novitsky, A.V. Negative propagation of vector Bessel beams / A.V. Novitsky, D.V. Novitsky // Journal of the Optical Society of America A. – 2012. – Vol. 24, Issue 9. – P. 2844-2849. – DOI: 10.1364/JOSAA.24.002844.
  16. Mitri, F.G. Reverse propagation and negative angular momentum density flux of an optical nondiffracting nonparaxial fractional Bessel vortex beam of progressive waves / F.G. Mitri // Journal of the Optical Society of America A. – 2016. – Vol. 33, Issue 9. – P. 1661-1667. – DOI: 10.1364/JOSAA.33.001661.
  17. Vaveliuk, P. Negative propagation effect in nonparaxial Airy beams / P. Vaveliuk, O. Martinez-Matos // Optics Express. – 2012. – Vol. 20, Issue 24. – P. 26913-26921. – DOI: 10.1364/OE.20.026913.
  18. Richards, B. Electromagnetic diffraction in optical systems. II. Structure of the image field in an aplanatic systems / B. Richards, E. Wolf // Proceedings of The Royal Society A. – 1959. – Vol. 253, Issue 1274. – P. 358-379. – DOI: 10.1098/rspa.1959.0200.
  19. Игнатовский, В.С. Дифракция объектива при любом отверстии / В.С. Игнатовский // Труды ГОИ. — Петроград. – 1919. – Т. 1. – С. 1-36.
  20. Karman, G.P. Creation and annigilation of phase singularities in a focal field / G.P. Karman, M.W. Beijersbergen, A. van Duijl, J.P. Woerdman // Optics Letters. – 1997. – Vol. 22, Issue 9. – P. 1503-1505. – DOI: 10.1364/OL.22.001503.
  21. Berry, M.V. Wave dislocation reactions in non-paraxial Gaussian beams / M.V. Berry // Journal of Modern Optics. –1998. – Vol. 45, Issue 9. – P. 1845-1858. – DOI: 10.1080/09500349808231706.
  22. Volyar, A.V. Nonparaxial Gausian beams. 1. Vector fields / A.V. Volyar // Technical Physics Letters. – 2000. – Vol. 26, Issue 7. – P. 573-575. – DOI: 10.1134/1.1262917.
  23. Volyar, A.V. The structure of a nonparaxial Gaussian beam near the focus. II. Optical vortices / A.V. Volar, V.G. Shvedov, T.A. Fadeeva // Optics and Spectroscopy. – 2001. – Vol. 90, Issue 1. – P. 93-100. – DOI: 10.1134/1.1343551.
  24. 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.
  25. Monteiro, P.B. Angular momentum of focused beams: Beyond the paraxial approximation / P.B. Monteiro, P.A.M. Neto, H.M. Nussenzveig // Physical Review A. – 2009. – Vol. 79, Issue 3. – 033830. – DOI: 10.1103/PhysRevA.79.033830.
  26. Dogariu, A. Optically induced 'negative forces' / A. Doga­riu, S. Sukhov, J.J. Saenz // Nature Photonics. – 2012. – Vol. 7. – P. 24-27. – DOI: 10.1038/nphoton.2012.315.
  27. Shvedov, V. A long-range polarization-controlled optical tractor beam / V. Shvedov, A.R. Davoyan, C. Hnatovsky, N. Engheta, W. Krolikowski // Nature Photonics. – 2014. – Vol. 8. – P. 846-850. – DOI: 10.1038/nphoton.2014.242.
  28. Миллер, У. Симметрия и разделение переменных / У. Миллер. – Мир, Москва, 1981. – 343 c.
  29. Kotlyar, V.V. Circularly polarized Hankel vortices / V.V. Kot­lyar, A.A. Kovalev // Optics Express. – 2017. – Vol. 25, Issue 7. – P. 7778-7790. – DOI: 10.1364/OE.25.007778.
  30. Merlin, R. Radiationless electromagnetic interference: evanescent-field lenses and perfect focusing / R. Merlin // Science. – 2007. – Vol. 317, Issue 5840. – P. 927-929. – DOI: 10.1126/science.1143884.
  31. Grbic, A. Near-field plates: subdiffraction focusing with patterned surfaces / A. Grbic, L. Jiang, R. Merlin // Science. – 2008. – Vol. 320, Issue 5875. – P. 511-513. – DOI: 10.1126/science.1154753.

© 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