Экспериментальное исследование обратного потока энергии в фокусе

Автор: Котляр Виктор Викторович, Стафеев Сергей Сергеевич, Налимов Антон Геннадьевич, Ковалев Алексей Андреевич, Порфирьев Алексей Петрович

Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics

Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии

Статья в выпуске: 6 т.44, 2020 года.

Бесплатный доступ

С помощью двух одинаковых микрообъективов с числовой апертурой 0,95 было экспериментально показано, что интенсивность на оптической оси в плоскости фокуса оптического вихря с топологическим зарядом 2 равна нулю для света с правой круговой поляризацией и ненулевая для света с левой круговой поляризацией. Подтверждением того, что в последнем случае на оптической оси существует обратный поток энергии, является наличие в центре измеренного потока энергии слабого локального максимума (пятна Араго), объясняемого дифракцией прямого потока энергии на круге диаметром 300 нм (соответствует диаметру трубки обратного потока энергии). Сравнивая численные и экспериментальные распределения интенсивности, возможно определить диаметр трубки обратного потока - он равен расстоянию между нулями интенсивности. Для числовой апертуры 0,95 и длины волны 532 нм диаметр трубки обратного потока равен 300 нм. Также экспериментально показано, что при фокусировке цилиндрического векторного пучка второго порядка линзой с числовой апертурой 0,95 возникает осесимметричный поток энергии с очень слабым максимумом в центре (пятно Араго). Такое распределение объясняется дифракцией прямого потока энергии на круглой области диаметром 300 нм, в которой поток энергии обратный. Это также является подтверждением присутствия обратного потока энергии на оптической оси.

Еще

Обратный поток энергии, острая фокусировка, оптический эксперимент, формулы ричардса-вольфа, fdtd-метод, оптический вихрь, цилиндрический векторный пучок

Короткий адрес: https://sciup.org/140250059

IDR: 140250059   |   DOI: 10.18287/2412-6179-CO-763

Experimental investigation of the energy backflow in the tight focal spot

Using two identical microobjectives with a numerical aperture NA = 0.95, we experimentally demonstrate that the on-axis intensity near the tight focal spot of an optical vortex with a topological charge 2 is zero for right-handed circular polarization and nonzero for left-handed circular polarization. This serves to confirm that in the latter case there is a reverse energy flow on the optical axis, as testified by a very weak local maximum (the Arago spot) detected at the center of the measured energy flow distribution, caused by diffraction of the direct energy flow by a 300 nm circle (the diameter of a reverse energy flow tube). The comparison of numerical and experimental intensity distributions shows that it is possible to determine the diameter of the reverse energy flow "tube", which is equal to the distance between the adjacent intensity s. For NA = 0.95 and a 532 nm incident wavelength, the diameter of the on-axis reverse energy flow "tube" is measured to be 300 nm. It is also experimentally shown that when an optical beam with second-order cylindrical polarization is focused with a lens with NA = 0.95, there is a circularly symmetric energy flow in the focus with a very weak maximum in the center (the Arago spot), whose distribution is determined by diffraction of the direct energy flow by a 300 nm circular region, where the energy flow is reverse. This also confirms that in this case, there is a reverse energy flow on the optical axis.

Еще

Список литературы Экспериментальное исследование обратного потока энергии в фокусе

  • Nye, J.F. Dislocations in wave trains / J.F. Nye, M.V. Berry // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. - 1974. - Vol. 336, Issue 1605. - P. 165-190.
  • Soskin, M. Singular optics / M. Soskin, M. Vasnetsov. - In Book: Progress in optics / ed. by E. Wolf. - Elsevier, 2001. - P. 219-276.
  • Swartzlander, G.A., Jr. The optical vortex coronagraph / G.A. Swartzlander Jr // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. - 2009. - Vol. 11, Issue 9. - 094022.
  • Gahagan, K.T. Optical vortex trapping of particles / K.T. Gahagan, G.A. Swartzlander // Optics Letters. - 1996. - Vol. 21, Issue 11. - P. 827-829.
  • 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, Issue 23. - 231110.
  • 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, Issue 1. - P. 52-54.
  • Volke-Sepulveda, K. Orbital angular momentum of a high-order Bessel light beam / K. Volke-Sepulveda, V. Garcés-Chávez, S. Chávez-Cerda, J. Arlt, K. Dholakia // Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics. - 2002. - Vol. 4, Issue 2. - P. S82-S89.
  • 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, Issue 8. - 087701.
  • Bandyopadhyay, A. Wigner distribution of elliptical quantum optical vortex / A. Bandyopadhyay, R.P. Singh // Optics Communications. - 2011. - Vol. 284, Issue 1. - P. 256-261.
  • Bandyopadhyay, A. Entanglement of a quantum optical elliptic vortex / A. Bandyopadhyay, S. Prabhakar, R.P. Singh // Physics Letters A. - 2011. - Vol. 375, Issue 19. - P. 1926-1929.
  • 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, Issue 6014. - P. 192-195.
  • Kotlyar, V. Energy density and energy flux in the focus of an optical vortex: reverse flux of light energy / V. Kotlyar, A. Kovalev, A. Nalimov // Optics Letters. - 2018. - Vol. 43, Issue 12. - P. 2921-2924. -
  • DOI: 10.1364/OL.43.002921
  • Kotlyar, V.V. Helical reverse flux of light of a focused optical vortex / V.V. Kotlyar, A.G. Nalimov, A.A. Kovalev // Journal of Optics. - 2018. - Vol. 20, Issue 9. - 095603. -
  • DOI: 10.1088/2040-8986/aad606
  • Kotlyar, V.V. Energy backflow in the focus of an optical vortex / V.V. Kotlyar, A.G. Nalimov, S.S. Stafeev // Laser Physics. - 2018. - Vol. 28, Issue 12. - 126203. -
  • DOI: 10.1088/1555-6611/aae02f
  • 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
  • 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: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. - 1959. - Vol. 253, Issue 1274. - P. 358-379.
  • Katsenelenbaum, B.Z. What is the direction of the Poynting vector? / B.Z. Katsenelenbaum // Journal of Communications Technology and Electronics. - 1997. - Vol. 42, Issue 2. - P. 119-120.
  • 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.
  • 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.
  • Volyar, A.V. Nonparaxial Gausian beams: 1. Vector fields / A.V. Volyar // Technical Physics Letters. - 2000. - Vol. 26, Issue 7. - P. 573-575.
  • Volyar, A.V. The structure of a nonparaxial Gaussian beam near the focus: II. Optical vortices / A.V. Volyar, V.G. Shvedov, T.A. Fadeeva // Optics and Spectroscopy. - 2001. - Vol. 90, Issue 1. - P. 93-100.
  • Salem, M.A. Energy flow characteristics of vector X-Waves / M.A. Salem, H. Bağcı // Optics Express. - 2011. - Vol. 19, Issue 9. - P. 8526-8532.
  • Vaveliuk, P. Negative propagation effect in nonparaxial Airy beams / P. Vaveliuk, O. Martinez-Matos // Optics Express. - 2012. - Vol. 20, Issue 24. - P. 26913-26921.
  • Rondón-Ojeda, I. Properties of the Poynting vector for invariant beams: Negative propagation in Weber beams / I. Rondón-Ojeda, F. Soto-Eguibar // Wave Motion. - 2018. - Vol. 78. - P. 176-184.
  • Berry, M.V. Optical currents / M.V. Berry // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. - 2009. - Vol. 11, Issue 9. - 094001.
  • Song, Z. Characterization of optical properties of ZnO nanoparticles for quantitative imaging of transdermal transport / Z. Song, T.A. Kelf, W.H. Sanchez, M.S. Roberts, J. Rička, M. Frenz, A.V. Zvyagin // Biomedical Optics Express. - 2011. - Vol. 2, Issue 12. - P. 3321-3333.
  • Zhang, L. Investigation into the antibacterial behaviour of suspensions of ZnO nanoparticles (ZnO nanofluids) / L. Zhang, Y. Jiang, Y. Ding, M. Povey, D. York // Journal of Nanoparticle Research. - 2007. - Vol. 9, Issue 3. - P. 479-489.
  • Sirelkhatim, A. Review on zinc oxide nanoparticles: Antibacterial activity and toxicity mechanism / A. Sirelkhatim, S. Mahmud, A. Seeni, N.H.M. Kaus, L.C. Ann, S.K.M. Bakhori, H. Hasan, D. Mohamad // Nano-Micro Letters. - 2015. - Vol. 7, Issue 3. - P. 219-242.
  • Omidvar, A. Indium-doped and positively charged ZnO nanoclusters: Versatile materials for CO detection / A. Omidvar // Vacuum. - 2018. - Vol. 147. - P. 126-133.
  • Alisafaee, H. Polarization insensitivity in epsilon-near-zero metamaterial from plasmonic aluminum-doped zinc oxide nanoparticles / H. Alisafaee, M.A. Fiddy // Journal of Nanophotonics. - 2014. - Vol. 8, Issue 1. - 083898.
  • Beek, W.J.E. Efficient hybrid solar cells from zinc oxide nanoparticles and a conjugated polymer / W.J.E. Beek, M.M. Wienk, R.A.J. Janssen // Advanced Materials. - 2004. - Vol. 16, Issue 12. - P. 1009-1013.
  • Hau, S.K. Air-stable inverted flexible polymer solar cells using zinc oxide nanoparticles as an electron selective layer / S.K. Hau, H.-L. Yip, N.S. Baek, J. Zou, K. O'Malley, A.K.Y. Jen // Applied Physics Letters. - 2008. - Vol. 92, Issue 25. - 253301.
  • Stafeev, S.S. The non-vortex inverse propagation of energy in a tightly focused high-order cylindrical vector beam / S.S. Stafeev, V.V. Kotlyar, A.G. Nalimov, E.S. Kozlova // IEEE Photonics Journal. - 2019. - Vol. 11, Issue 4. - 4500810. -
  • DOI: 10.1109/JPHOT.2019.2921669
  • Kotlyar, V.V. Energy backflow in the focus of a light beam with phase or polarization singularity / V.V. Kotlyar, S.S. Stafeev, A.G. Nalimov // Physical Review A. - 2019. - Vol. 99, Issue 3. - 033840. -
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.99.033840
  • Harada, Y. Radiation forces on a dielectric sphere in the Rayleigh scattering regime / Y. Harada, T. Asakura // Optics Communications. - 1996. - Vol. 124, Issue 5-6. - P. 529-541. Bekshaev, A.Y. Subwavelength particles in an inhomogeneous light field: Optical forces associated with the spin and orbital energy flows / A.Y. Bekshaev // Journal of Optics. - 2013. - Vol. 15, Issue 4. - 044004.
Еще