Сравнение величин обратного потока энергии в остром фокусе светового поля с поляризационной и фазовой сингулярностями
Котляр В.В.
, Налимов А.Г., Стафеев С.С.

ИСОИ РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН,
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Аннотация:
С помощью матриц и векторов Джонса показано, что оптический элемент с метаповерхностью, анизотропное пропускание которого описывается матрицей поворота поляризации на угол mφ, φ – полярный угол, при освещении светом с линейной поляризацией формирует азимутальную или радиальную поляризацию порядка m. При освещении светом с круговой поляризацией такой элемент формирует оптический вихрь с топологическим зарядом m. Этот поляризационно-фазовый конвертор (ПФК) выполняет спин-орбитальное преобразование, аналогичное тому, которое выполняют жидкокристаллические q-пластинки. Численно FDTD-методом показано, что при освещении ПФК с m = 2 светом с линейной или круговой поляризацией и последующей острой фокусировкой с помощью бинарной зонной пластинки вблизи фокуса на оптической оси формируется обратный поток световой энергии, сравнимый по величине с прямым потоком. Причем обратный поток при фокусировке оптического вихря с топологическим зарядом 2 и с круговой поляризацией равен обратному потоку при фокусировке света с поляризационной сингулярностью 2-го порядка.

Ключевые слова:
оптический вихрь, поляризация, обратный поток, металинза.

Цитирование:
Котляр, В.В.
Сравнение величин обратного потока энергии в остром фокусе светового поля с поляризационной и фазовой сингулярностями / В.В. Котляр, А.Г. Налимов, С.С. Стафеев // Компьютерная оптика. – 2019. – Т. 43, № 2. – С. 174-183. – DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-2-174-183.

Литература:

  1. Nye, J.F. Dislocations in wave trains / F. Nye, M.V. Berry // Proceedings of the Royal Society of London: Series A. 1974. – Vol. 336. – P. 165-190.
  2. Soskin, M.S. Singular optics / M.S. Soskin, M.V. Vasnetsov. – In: Progress in optics / E. Wolf, ed. – Chap. 4. – Elsevier, 2001. – P. 219-276.
  3. Swartzlander, G.A., Jr. The optical vortex coronagraph / G.A. Swartzlander, Jr. // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2009. – Vol. 11. – 094022.
  4. Swartzlander, G.A. Optical vortex trapping of particles / K.T. Gahagan, G.A. Swartzlander // Optics Letters. – 1996. – Vol. 21. – P. 827-829.
  5. Gecevičius, M. Single beam optical vortex tweezers with tunable orbital angular momentum / M. Gecevičius, R. Drevinskas, M. Beresna, P.G. Kazansky // Applied Physics Letters. – 2014. – Vol. 104. – 231110.
  6. Simpson, N.B. Mechanical equivalence of spin and orbital angular momentum of light: an optical spanner / N.B. Simpson, K. Dholakia, L. Allen, M.J. Padgett // Optics Letters. – 1997. – Vol. 22. – P. 52-54.
  7. Volke-Sepulveda, K. Orbital angular momentum of a high-order Bessel light beam / K. Volke-Sepulveda, V. Garcés-Chavez, S. Chavez-Cerda, J. Arlt, K. Dholakia // Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics. – 2002. – Vol. 4. – P. S82-S89.
  8. Thidé, B. Utilization of photon orbital angular momentum in the low-frequency radio domain / B. Thidé, H. Then, J. Sjöholm, K. Palmer, J. Bergman, T.D. Carozzi, Y.N. Istomin, N.H. Ibragimov, R. Khamitova // Physical Review Letters. – 2007. – Vol. 99. – 087701.
  9. Bandyopadhyay, A. Wigner distribution of elliptical quantum optical vortex / A. Bandyopadhyay, R.P. Singh // Optics Communications. – 2011. – Vol. 284. – P. 256-261.
  10. Bandyopadhyay, A. Entanglement of a quantum optical elliptic vortex / A. Bandyopadhyay, S. Prabhakar, R.P. Singh // Physics Letters A. – 2011. – Vol. 375. – P. 1926-1929.
  11. McMorran, B.J. Electron vortex beams with high quanta of orbital angular momentum / B.J. McMorran, A. Agrawal, I.M. Anderson, A.A. Herzing, H.J. Lezec, J.J. McClelland, J. Unguris // Science. – 2011. – Vol. 331. – P. 192-195.
  12. 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, Вып. 2. – С. 190-196. – DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-2-190-196.
  13. Sukhov, S. On the concept of “tractor beams” / S. Sukhov, A. Dogariu // Optics Letters. – 2010. – Vol. 35. – P. 3847-3849.
  14. 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.
  15. 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. – P. 1661-1667.
  16. Salem, M.A. Energy flow characteristics of vector X-wave / M.A. Salem, H. Bagci // Optics Express. – 2011. – Vol. 19. – P. 8526-8532.
  17. Vaveliuk, P. Negative propagation effect in nonparaxial Airy beams / P. Vaveliuk, O. Martinez-Matos // Optics Express. – 2012. – Vol. 20. – P. 26913-26921.
  18. Berry, M.V. Quantum backflow, negative kinetic energy, and optical retro-propagation / M.V. Berry // Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical. – 2010. – Vol. 43. – 415302.
  19. Irvine, W.N.M. Linked and knotted beams of light / W.N.M. Irvine, D. Boumeester // Nature Physics. – 2008. – Vol. 4. – P. 716-720.
  20. Sugic, D. Singular knot bundle in light / D. Sugic, M.R. Dennis // Journal of the Optical Society of America A. – 2018. – Vol. 35, Issue 12. – P. 1987-1999.
  21. Yu, N. Light propagation with phase discontinuities: generalized lows of reflection and refraction / N. Yu, P. Genevet, M.A. Kats, F. Avieta, J.P. Terienne, F. Capasso, Z. Gaburro // Science. – 2011. – Vol. 334, Issue 6054. – P. 333-337.
  22. Arbabi, A. Dielectric metasurfaces for complete control of phase and polarization with subwavelength spatial resolution and high transmission / A. Arbabi, Y. Horie, M. Bagheri, A. Faraon // Nature Nanotechnology. – 2015. – Vol. 10, Issue 11. – P. 937-943.
  23. Kotlyar, V.V. Thing high numerical aperture metalens / V.V. Kotlyar, A.G. Nalimov, S.S. Stafeev, G. Hu, L. O’Faolain, M.V. Koltyar, D. Gibson, S. Song // Optics Express. – 2017. – Vol. 25, Issue 7. – P. 8158-8167. – DOI: 10.1364/OE.25.008158.
  24. Tian, S. Dielectric longitudinal bifocal metalens with adjustable intensity and high focusing efficiency / S. Tian, H. Guo, J. Hu, S. Zhuang // Optics Express. – 2019. – Vol. 27, Issue 2. – P. 680-688.
  25. Park, C.S. Structural color filter based on an all-dielectric metasurface exploiring silicon-rich silicon nitride nanodisks / C.S. Park, I. Koirala, S. Gao, V.R. Shrestha, S.S. Lee, D.Y. Choi // Optics Express. – 2019. – Vol. 27, Issue 2. – P. 667-678.
  26. Kotlyar, V.V. Design of diffractive optical elements modulating polarization / V.V. Kotlyar, O.K. Zalyalov // Optik. – 1996. – Vol. 103, Issue 3. – P. 125-130.
  27. Bomzon, Z. Space-variant Pancharatnam-Berry phase optical elements with computer-generated subwavelength gratings / Z. Bomzon, G. Biener, V. Kleiner, E. Hasman // Optics Letters. – 2002. – Vol. 27, Issue 13. – P. 1141-1143.
  28. Niv, A. Propgation-invariant vectorial Bessel beams obtained by use of quantized Pancharatnam-Berry phase optical elements / A. Niv, G. Biener, V. Kleiner, E. Hasman // Optics Letters. – 2004. – Vol. 29, Issue 3. – P. 238-240.
  29. Marrucci, L. Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous anisotropic media / L. Marrucci, C. Manzo, D. Paparo // Physical Review Letters. – 2006. – Vol. 96. – 163905.
  30. Kotlyar, V.V. The phase rotor filter / V.V. Kotlyar, S.N. Khonina, G.V. Uspleniev, M.V. Shinkarev, V.A. Soifer // Journal of Modern Optics. – 1992. – Vol. 39, Issue 5. – P. 1147-1154. – DOI: 10.1080/09500349214551151.
  31. Kotlyar, V.V. Sharp focusing of vector optical vortices using a metalens / V.V. Kotlyar, A.G. Nalimov // Journal of Optics. – 2018. – Vol. 20, Issue 7. – 075101. – DOI: 10.1088/2040-8986/aac4b3.
  32. Kotlyar, V.V. Energy density and energy flux in the focus of an optical vortex: reverse flux of light energy / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.G. Nalimov // Optics Letters. – 2018. – Vol. 43, Issue 12. – P. 2921-2924. – DOI: 10.1364/OL.43.002921.
  33. Стафеев, С.С. Обратный поток энергии при острой фокусировке азимутально поляризованных пучков высших порядков Обратный поток энергии в фокусе цилиндрического векторного пучка / С.С. Стафеев, А.Г. Налимов, В.В. Котляр // Компьютерная оптика. – 2018. – Т. 42, № 5. – С. 744-750. – DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-5-744-750.

© 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