Фокусировка вихревого пучка с круговой поляризацией: спиновый, орбитальный и общий угловой момент

Фокусировка вихревого пучка с круговой поляризацией: спиновый, орбитальный и общий угловой момент

Автор: Котляр В.В., Ковалв А.А., Телегин А.М.

Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics

Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии

Статья в выпуске: 4 т.47, 2023 года.

Бесплатный доступ

На основе формализма Ричардса-Вольфа получены два разных точных выражения для плотности углового момента света в фокусе оптического вихря с топологическим зарядом n и с правой круговой поляризацией. Одно выражение для плотности углового момента получается как векторное произведение радиус-вектора на вектор Пойнтинга и имеет ненулевое значение в фокусе для произвольного целого числа n . Другое выражение для плотности углового момента равно сумме орбитального углового момента и спинового углового момента и в фокусе рассматриваемого светового поля равно нулю при n = -1. Оба эти выражения не равны друг другу в каждой точке пространства, но их трёхмерные интегралы равны. Таким образом, получены точные выражения для плотностей углового момента (УМ), спинового углового момента (СУМ) и орбитального углового момента (ОУМ) в фокусе оптического вихря с правой круговой поляризацией, и показано, что тождество для плотностей УМ = СУМ + ОУМ неверно. Кроме того, показано, что выражения для векторов напряжённости электрического и магнитного полей вблизи острого фокуса, полученные на основе формализма Ричардса-Вольфа, являются точными решениями уравнений Максвелла. Таким образом, теория Ричардса-Вольфа точно описывает поведение света вблизи острого фокуса в свободном пространстве.

Еще

Вихревой пучок, фокусировка, формулы ричардса-вольфа, угловой момент, орбитальный угловой момент, спиновый угловой момент, уравнения максвелла

Короткий адрес: https://sciup.org/140301828

IDR: 140301828   |   DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1289

Список литературы Фокусировка вихревого пучка с круговой поляризацией: спиновый, орбитальный и общий угловой момент

  • Beth RA. Direct detection of the angular momentum of light. Phys Rev 1935; 48: 471. DOI: 10.1103/PhysRev.48.471.
  • Beth RA. Mechanical detection and measurement of the angular momentum of light. Phys Rev 1936; 50: 115-127. DOI: 10.1103/PhysRev.50.115.
  • Barnett SM. On the six components of optical angular momentum. J Opt 2011; 13: 064010. DOI: 10.1088/20408978/13/6/064010.
  • Mansuripur M. Spin and orbital angular momenta of electromagnetic waves in free space. Phys Rev A 2011; 84: 033838. DOI: 10.1103/physreva.84.033838.
  • Zhang X, Shen B, Zhu Z, Rui G, He J, Cui Y, Gu B. Understanding of transverse spin angular momentum in tightly focused linearly polarized vortex beams. Opt Express 2022; 30: 5121-5130. DOI: 10.1364/OE.449583.
  • Bliokh KY, Bekshaev AY, Nori F. Dual electromagnetism: helicity, spin, momentum, and angular momentum. New J Phys 2013; 15: 033026. DOI: 10.1088/13672630/15/3/033026.
  • Guo J, Wang W, Cheng T, Lu J. Interaction of spin-orbit angular momentum in the tight focusing of structured light. Frontiers in Physics 2022; 10: 1079265. DOI: 10.3389/fphy.2022.1079265.
  • Bliokh KY, Alonso MA, Ostrovskaya EA, Aiello A. Angular momenta and spin-orbit interaction of nonparaxial light in free space. Phys Rev A 2010; 82: 063825. DOI: 10.1103/physreva.82.063825.
  • Bekshaev AY, Bliokh KY, Soskin MS. Internal flows and energy circulation in light beams. J Opt 2011; 13: 053001. DOI: 10.1088/2040-8978/13/5/053001.
  • Bliokh KY, Bekshaev AY, Nori F. Extraordinary momentum and spin in evanescent waves. Nat Commun 2014; 5: 3300. DOI: 10.1038/ncomms4300.
  • Kotlyar VV, Stafeev SS, Kovalev AA, Zaitsev VD. Spin Hall effect before and after the focus of a high-order cylindrical vector beam. Appl Sci 2022; 12(23): 12218. DOI: 10.3390/app122312218.
  • Kotlyar VV, Stafeev SS, Kozlova ES, Butt MA. Highorder orbital and spin Hall effects at the tight focus of laser beams. Photonics 2022; 9(12): 970. DOI: 10.3390/photonics9120970.
  • Ma C, Song T, Chen R, Li H, Li X. Spin Hall effect of fractional order radially polarized beam in its tight focusing. Opt Commun 2022; 520: 128548. DOI: 10.1016/j.optcom.2022.128548.
  • Ma C, Song T, Chen R, Hu H, Li H, Li X. Vortex-dependent spin angular momentum in tight focusing of power-exponent azimuthal-variant beams. Appl Phys B 2022; 128: 182. DOI: 10.1007/s00340-022-07902-y.
  • Li H, Ma C, Wang J, Tang M, Li X. Spin-orbit Hall effect in the tight focusing of a radially polarized vortex beam. Opt Express 2021; 29: 39419-39427. DOI: 10.1364/0E.443271.
  • Graydon O. Photonic wheel. Nature Photon 2013; 7: 672. DOI: 10.1038/nphoton.2013.229.
  • Kotlyar VV, Kovalev AA, Nalimov AG. Energy density and energy flux in the focus of an optical vortex: reverse flux of light energy. Opt Lett 2018; 43(12): 2921-2924. DOI: 10.1364/OL.43.002921.
  • Li H, Wang C, Tang M, Li X. Controlled negative energy flow in the focus of a radial polarized optical beam. Opt Express 2020; 28: 18607-18615. DOI: 10.1364/OE.391398.
  • Richards B, Wolf E. Electromagnetic diffraction in optical systems. II. Structure of the image field in an aplanatic system. Proc R Soc A 1959; 253(1274): 358-379. DOI: 10.1098/rspa.1959.0200.
  • Bekshaev AY, Soskin MS. Transverse energy flows in vectorial fields of paraxial beams with singularities. Opt Commun 2007; 271: 332-348. DOI: 10.1016/j.optcom.2006.10.057.
  • Berry MV. Optical currents. J Opt A: Pure Appl Opt 2009; 11: 094001. DOI: 10.1088/1464-4258/11/9/094001.
  • McDonald KT. Orbital and spin angular momentum of electromagnetic fields. March 2009, update October 2021. Source: (http://kirkmcd.princeton.edu/examples/spin.pdf).
  • Kotlyar VV, Stafeev SS, Kovalev AA. Reverse and toroidal flux of light fields with both phase and polarization higher-order singularities in the sharp focus area. Opt Express 2019; 27(12): 16689-16702. DOI: 10.1364/OE.27.016689.
  • Humblet J. Sur le moment d'impulsion d'une onde électromagnétique. Physica 1943; 10: 585-603. DOI: 10.1016/s0031-8914(43)90626-3.
  • Feynman RP, Leighton RB, Sands M. The Feynman lectures on physics. Vol II. Boston: Addison-Wesley; 1964. ISBN 0-8053-9049-9.
  • Zhao Y, Edgar JS, Jeffries GDM, McGloin D, Chiu DT. Spin-to-orbital angular momentum conversion in a strongly focused optical beam. Phys Rev Lett 2007; 99: 073901. DOI: 10.1103/physrevlett.99.073901.
  • Kotlyar VV, Nalimov AG, Kovalev AA, Porfirev AP, Sta-feev SS. Spin-orbit and orbit-spin conversion in the sharp focus of laser light: Theory and experiment. Phys Rev A 2020; 102(3): 033502. DOI: 10.1103/physreva.102.033502.
  • Schaefer B, Collett E, Smyth R, Barrett D, Fraher B. Measuring the Stokes polarization parameters. Am J Phys 2007; 75: 163-168. DOI: 10.1119/1.2386162.
  • Alperin SN, Niederriter RD, Gopinath JT, Siemens ME. Quantitative measurement of the orbital angular momentum of light with a single, stationary lens. Opt Lett 2016; 41: 5019-5022. DOI: 10.1364/OL.41.005019.
  • Volyar A, Bretsko M, Akimova Y, Egorov Y. Measurement of the vortex and orbital angular momentum spectra with a single cylindrical lens. Appl Opt 2019; 58: 57485755. DOI: 10.1364/AO.58.005748.
  • Kotlyar VV, Kovalev AA, Porfirev AP. Calculation of fractional orbital angular momentum of superpositions of optical vortices by intensity moments. Opt Express 2019; 27(8): 11236-11251. DOI: 10.1364/OE.27.011236.
  • Volyar AV, Bretsko MV, Akimova YE, Egorov YA. Beyond the light intensity or intensity moments and measurements of the vortex spectrum in complex light beams. Computer Optics 2018; 42(5): 736-743. DOI: 10.18287/2412-6179-2017-42-5-736-743.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp