Обратный поток энергии вблизи оптической оси в области острого фокуса оптического вихря с круговой поляризацией
Котляр В.В., Налимов А.Г., Стафеев С.С.

Институт систем обработки изображений РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Самара, Россия,
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, Самара, Россия

Аннотация:
С помощью формул Ричардса – Вольфа для дифракционной линзы показано, что при острой фокусировке произвольного оптического вихря с топологическим зарядом 2 и левой круговой поляризацией в плоскости фокуса на оптической оси имеет место обратный поток световой энергии (осевая проекция вектора Пойнтинга отрицательная). Такой же результат мы получили численно с помощью строгого расчёта FDTD-методом дифракции плоской волны с левой круговой поляризацией на вихревой зонной пластинке с топологическим зарядом 2 и числовой апертурой около 1. Причём величина обратного потока сравнима с прямым потоком энергии. Мы также показали, что обратный поток энергии в рассматриваемом случае имеет место на всей оптической оси, но максимальное по модулю значение имеет в плоскости фокуса и быстро спадает при удалении от него. Длина отрезка вдоль оптической оси, на которой значение модуля обратного потока спадает в два раза (глубина обратного потока), почти совпадает с глубиной фокуса, а поперечный кружок, в котором поток энергии обратный, примерно совпадает с диском Эйри.

Ключевые слова:
вектор Пойнтинга, формулы Ричардса–Вольфа, FDTD-метод, оптический вихрь, «тракторный пучок».

Цитирование:
Котляр, В.В. Обратный поток энергии вблизи оптической оси в области острого фокуса оптического вихря с круговой поляризацией / В.В. Котляр, А.Г. Налимов, С.С. Стафеев // Компьютерная оптика. – 2018. – Т. 42, № 3. – С. 392-400. – DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-3-392-400.

Литература:

  1. Richards, B. Electromagnetic diffraction in optical systems. II. Structure of the image field in an aplanatic system / B. Richards, E. Wolf // Proceedings of the Royal Society A. – 1959. – Vol. 253, Issue 1274. – P. 358-379. – DOI: 10.1098/rspa.1959.0200.
  2. Ignatovsky, V.S. Diffraction by a lens having arbitrary opening / V.S. Ignatovsky // Transactions of the Optical Institute in Petrograd. – 1920. – Vol. 1. – P. 4.
  3. Ganic, D. Focusing of doughnut laser beams by a high numerical-aperture objective in free space / D. Ganic, X. Gan, M. Gu //Optics Express. – 2003. – Vol. 11, Issue 21. – P. 2747-2752. – DOI: 10.1364/OE.11.002747.
  4. Bokor, N. Investigation of polarization effects for high-numerical-aperture first-order Laguerre-Gaussian beams by 2D scanning with a single fluorescent microbead / N. Bokor, Y. Iketaki, T. Watanabe, M. Fujii // Optics Express. – 2005. – Vol. 13, Issue 26. – P. 10440-10447.
  5. Maluenda, D. Synthesis of highly focused fields with circular polarization at any transverse plane / D. Maluenda, R. Matinez-Herrero, I. Juvells, A. Carnicer // Optics Express. – 2014. – Vol. 22, Issue 6. – P. 6859-6867. – DOI: 10.1364/OE.22.006859.
  6. Chen, B. Tight focusing of elliptically polarized vortex beams / B. Chen, J. Pu // Applied Optics. – 2009. – Vol. 48, Issue 7. – P. 1288-1294. – DOI: 10.1364/AO.48.001288.
  7. Zang, M. Tight focusing properties of anomalous vortex beams / M. Zhang, Y. Yang // Optik. – 2018. – Vol. 154. – P. 133-138. – DOI: 10.1016/j.ijleo.2017.10.013.
  8. Nie, Z. Tight focusing of a radially polarized Laguerre-Bessel-Gaussian beam and its application to manipulation of two type of particles / Z. Nie, G. Shi, D. Li, X. Zhang, Y. Wang, Y. Song // Physics Letters A. – 2015. – Vol. 379, Issue 9. – P. 857-863. – DOI: 10.1016/j.physleta.2014.11.029.
  9. Zhang, X. Focusing properties of cylindrical vector vortex beams / X. Zhang, R. Chen, A. Wang // Optics Communication. – 2018. – Vol. 414. – P. 10-15. – DOI: 10.1016/j.optcom.2017.12.076.
  10. Zhao, X. Transverse focal shift in vortex beams / X. Zhao, X. Pang, J. Zhang, G. Wan // IEEE Photonics Journal. – 2018. – Vol. 10, Issue 1. – 6500417. – DOI: 10.1109/JPHOT.2018.2795597.
  11. Novitsky, A.V. Negative propagation of vector Bessel beams / A.V. Novitsky, D.V. Novitsky // Journal of the Optical Society of America A. – 2007. – Vol. 24, Issue 9. – P. 2844-2849. – DOI: 10.1364/JOSAA.24.002844.
  12. 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.
  13. Sukhov, S. On the concept of "tractor beams" / S. Sukhov, A. Dogariu // Optics Letters. – 2010. – Vol. 35, Issue 22. – P. 3847-3849. – DOI: 10.1364/OL.35.003847.
  14. Novitsky, A. Single gradientless light beam drags particles as tractor beams / A. Novitsky, C. Qiu, H. Wang // Physics Review Letters. – 2011. – Vol. 107, Issue 20. – 203601. – DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.203601.
  15. Sukhov, S. Negative nonconservative forces: Optical "tractor beams" for arbitrary objects / S. Sukhov, A. Dogariu // Physics Review Letters. – 2011. – Vol. 107, Issue 20. – 203602. – DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.203602.
  16. Sáenz, J.J. Laser tractor beams / J.J. Sáenz // Nature Photonics. – 2011. – Vol. 5. – P. 514-515. – DOI: 10.1038/nphoton.2011.201.
  17. 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.
  18. Kajorndejnukul, V. Linear momentum increase and negative optical forces at dielectric interface / V. Kajorndejnukul, W. Ding, S. Sukhov, C. Qiu, A. Dogariu // Nature Photonics. – 2013. – Vol. 7. – P. 787-790. – DOI: 10.1038/nphoton.2013.192.
  19. 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.
  20. Carretero, L. Periodic trajectories obtained with an active tractor beam using azimuthal polarization: design of particle exchanger / L. Carretero, P. Acebal, C. Garcia, S. Blaya // IEEE Photonics Journal. – 2015. – Vol. 7, Issue 1. – 3400112. – DOI: 10.1109/JPHOT.2015.2402123.
  21. Mitri, F.G. Optical Bessel tractor beam on active dielectric Rayleigh prolate and oblate spheroids / F.G. Mitri // Journal of the Optical Society of America B. – 2017. – Vol. 34, Issue 5. – P. 899-908. – DOI: 10.1364/JOSAB.34.000899.
  22. 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. 645-653. – DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41-5-645-654.
  23.  Davidson, N. High-numerical-aperture focusing of radially polarized doughnut beams with a parabolic mirror and a flat diffractive lens / N. Davidson, N. Bokor // Optics Letters. – 2004. – Vol. 29, Issue 12. – P. 1318-1320. – DOI: 10.1364/OL.29.001318.

  24. © 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