Обратный поток энергии у непараксиального оптического вихря в ближней зоне
Автор: Котляр Виктор Викторович, Ковалв Алексей Андреевич
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии
Статья в выпуске: 1 т.43, 2019 года.
Бесплатный доступ
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.
Оптический вихрь, угловой спектр плоских волн, затухающие волны, вектор пойнтинга, обратный поток мощности, оптический трактор
Короткий адрес: https://sciup.org/140243268
IDR: 140243268 | DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-1-54-62
Текст научной статьи Обратный поток энергии у непараксиального оптического вихря в ближней зоне
В оптике активно изучаются оптические «тракторные» пучки ( optical tractor beams ) [1 –4]. Это пучки, которые позволяют «притягивать» микрообъекты (например, клетки бактерий [1]) к источнику света. Например, в [4] «тракторный» пучок формируется с помощью металинзы-аксикона в плёнке кремния. Параллельно исследуется другой интересный эффект в оптике – обратное распространение ( reverse propagation ) [5] или обратный поток энергии ( negative energy flux [6] или energy backflow [7]). Этот эффект возникает, когда продольная составляющая вектора Пойн-тинга направлена в обратную сторону по отношению к направлению распространения пучка света. Известен также эффект углового трактора [8], когда в вихревом пучке на разных радиусах от оптической оси поток энергии вращается в разные стороны.
Обратный поток энергии описан в разных статьях, в которых не занимались им напрямую, а он получался как «побочный эффект». В [9] численно показано наличие обратного потока при прохождении через нанополоску золота на поверхности InP, хотя сами авторы на это не обратили внимания, а констатировали только, что свет не проходит в среду InP при нормальном падении в присутствии золотой нанополоски. В [10] численно было показано наличие обратного потока при фокусировке света в градиентной микролинзе на выходной торец. Обратный поток объяснялся наличием бегущей по торцу микролинзы поверхностной волны, которая то входит, то выходит из среды. В [11] получено уравнение (19) для продольной компоненты вектора Пойнтинга в фокусе пучка Бесселя нулевого порядка с линейной поляризацией, из которого следует, что поток энергии на некоторых радиусах от оптической оси меняет знак (распространяется в обратном направлении). Правда, в [11] этого не заметили. Ранее, в [12] была получена аналогичная формула (15) для продольной составляющей вектора Пойнтинга пучка Бесселя нулевого порядка. В [12] заметили, что на определённых радиусах поток энергии может быть направлен в обратном направлении по отношению к направлению распространения пучка. В [13] численно показано возникновение обратного потока энергии при прохождении через субволновое отверстие. Обратный поток возникал вокруг сингулярностей, которые появлялись вблизи отверстия. Ранее, ещё в 1950 году, был теоретически обнаружен обратный поток энергии вокруг изолированных нулей интенсивности при решении задачи дифракции плоской волны на металлической полуплоскости [14].
Обратный поток энергии целенаправленно искали в разных векторных пучках света с разным состоянием поляризации. В [15] теоретически показали наличие обратного распространения энергии в линейной суперпозиции ТЕ- и ТМ-поляризованных пучков Бесселя произвольного порядка. В [6] обнаружили отрицательный поток энергии в Х-волнах. Х-волны – это полностью векторные пучки, полученные с помощью потенциала Герца из скалярного точного решения скалярного волнового уравнения, и их амплитуда пропорциональна гипергеометрической функции Гаусса 2F1(a, b, c; x). В [16] численно показано, что обратный поток энергии имеет место в векторных пучках Бесселя с дробным топологическим зарядом. В этом случае амплитуда всех составляющих векторов электрического и магнитного полей выражается через бесконечные суммы функций Бесселя. В [17] эффект негативного распространения пучка найден в непараксиальных пучках Эйри.
Обратный поток энергии был обнаружен (правда, только теоретически) при острой фокусировке лазерных пучков. Это особенно интересно, так как в области фокуса обратный поток оказывается сравнимым по величине с прямым потоком энергии. В [18] получено простое выражение для продольной компоненты вектора Пойнтинга в фокусе апланатической системы при фокусировке плоской волны с линейной поляризацией (уравнение (3.21)), из которого следует, что на некоторых радиусах (вблизи тёмных колец) имеет место обратный поток энергии. Этот эффект в фокусе идеальной линзы ранее был замечен в [19]. В [20] численно показано, что при фокусировке параксиального Гауссова пучка с помощью сферической линзы, ограниченной апертурой, в плоскости фокуса и рядом с ней на некоторых радиусах возникают тёмные кольца Эйри, в которых имеет место фазовая сингулярность.
Позже Берри с помощью асимптотик показал, что такие сингулярности возникают в фокусе непараксиального Гауссова пучка и без ограничения линзы апертурой [21]. В [21] также показано, что вокруг сингулярности фазы возникает круговой поток энергии, в том числе и обратный поток. В [22] Воляр численно показал, что в фокусе линейно поляризованных векторных непараксиальных пучков Гаусса (сферические моды низших порядков) сечение пучка эллиптическое, и вокруг центрального пятна имеются «острова сингулярности» (вместо колец Эйри), рядом с которыми возникает обратный поток энергии. В [23] аналогичные «острова сингулярности» и обратный поток рядом с ними численно обнаружен в плоскости фокуса векторных непараксиальных Гауссовых вихревых пучков с круговой поляризацией. В [24] численно было показано, что с помощью одной спиральной металинзы с высокой числовой апертурой можно менять место и величину обратного потока в плоскости фокуса с помощью изменения состояния поляризации падающего излучения (ТЕ- или ТМ-поляриза-ция, левая или правая круговые поляризации). В этих работах [18 – 23] обратный поток энергии был обнаружен в периферийных кольцах картины дифракции в фокальной плоскости. И только в [25] численно показано, что при непараксиальной фокусировке пучка Лагерра – Гаусса с топологическим зарядом 2 и обратной (левой) круговой поляризацией в плоскости фокуса на оптической оси (в центре фокусного пятна) имеет место обратный поток энергии.
Из приведённого краткого обзора работ по обратному потоку следует, что этот эффект имеет универсальную природу: он возникает в фокусе плоской волны [18, 19], в фокусе ограниченного параксиального [20] и неограниченного непараксиального [21] скалярных Гауссовых пучков, а также в фокусе непараксиальных пучков Лагерра – Гаусса [24]. Он возникает также в фокусе непараксиальных векторных пучков с линейной [23] и круговой поляризациями, в различных векторных модовых пучках (Бесселя [15, 16], Эйри [17], Х-волны [6]), при фокусировке на границу раздела сред [10], вблизи наноструктурированных поверхностей [9, 13]. Заметим, что у параксиальных световых полей (при отсутствии ограничивающей диафрагмы) продольная компонента вектора Пойнтинга, пропорциональна интенсивности и не меняет знака [8]. То есть у параксиальных полей не может быть обратного потока энергии в свободном пространстве.
Рассматриваемый эффект обратного потока энергии может быть использован для демонстрации эффекта «оптического трактора» [26, 27], когда микрочастица, захваченная в специальным образом сформированный лазерный пучок, двигается против направления распространения света в пучке.
В данной работе, в отличие от работы [18], в которой используется формализм Ричардса – Вольфа, работ [6, 15, 16, 17, 22, 23], в которых используются известные точные решения уравнений Максвелла (X-волны, пучки Бесселя, Эйри, квази-Гаусса [5], векторные непараксиальные гауссовы пучки), получены общие выражения для проекций вектора Пойнтинга для любого вихревого электромагнитного поля с эллиптической поляризацией методом разложения по плоским волнам. Получено условие, при котором в начальной плоскости пучка (в перетяжке) возникает обратный поток энергии. Из этого условия следует, что только при наличии неоднородных затухающих волн с большими поперечными проекциями волнового вектора в перетяжке может возникнуть обратный поток энергии. Причём чем больше вклад затухающих волн в общую амплитуду пучка, тем больше величина обратного потока энергии, который при этом сравним по величине с прямым потоком.
-
1. Интенсивность и продольная проекция вектора Пойнтинга
Общее решение уравнения Гельмгольца
( V 2 + к 2 ) P ( x , y , z ) = 0, (1)
где V 2 = d 2/ d x 2 + 5 2 / 5 y 2 + 5 2 / 5 z 2, можно записать в виде разложения по спектру плоских волн [28] да да
P ( x , У , z ) = ( 2 п к ) -1 J J A ( ^ , n ) х
-да -да
х exp ^ik (x с + yn + z 41 — ^2 —П2
] d ^ d n ,
где A (ξ, η) – амплитуда спектра плоских волн, k – волновое число света. Для оптического вихря с топологическим зарядом n амплитуду спектра плоских волн можно записать в полярных координатах (ρ, θ) в виде
A(^,n) = A(р, 6) = An (р)ein8. (3)
С учётом (3), скалярную функцию (2) в цилиндрических координатах ( r, φ) запишем в виде:
P ( r , ф , z ) = i n k - 1 ein ф 1 1, n , (4)
где да
1 1, n = j A n ( р ) e k J n ( kr р ) Р d p , (5)
а J n ( x ) - функция Бесселя первого рода n -го порядка. С помощью решения уравнения Гельмгольца (1) можно рассчитать все проекции векторов напряжённости электрического и магнитного поля, в совокупности удовлетворяющих уравнениям Максвелла. Для этого воспользуемся методикой, например, описанной в [29]. Будем формировать световое поле с эллиптической поляризацией, тогда поперечные проекции вектора напряжённости электрического поля можно записать в виде
-
3 5 P _ / х . д P E x ( x , У , z ) = —, E y ( x , У , z ) = ia — , д z д z
где a =±1 - спиновый индекс, определяющий левую и правую круговую поляризацию ( a =+1 для правой поляризации и a =-1 для левой поляризации). При других значениях a выражение (6) описывает поле с эллиптической поляризацией. Подставляя (4) в (6), получим для поперечных проекций электрического поля:
E x ( r , ф , z ) = i n + 1 ein ф 13 , n
E y ( r , ф , z ) = - i n a ein ф 1 3
где да
1 3, n = j V 1 -p 2 A n ( p ) e ik J n ( kr p ) p d p . (8)
Продольную проекцию найдём с помощью соотношения [29]:
д P
E ( x , у , z ) = -— д x
дP i a— ду
и получим
E z ( r , ф , z ) = i n [у + ei ( n + 1 )ф 1 2, n +1 -Y - ei ( n - 1 )ф 1 2, n -1 ] , (10)
где да
12n = j An (p) eikzJn (krp)p2dp, а y± = (1± a)/2. Из (7) и (10) можно записать уравнение для распределения интенсивности на любой плоскости, перпендикулярной оптической оси z > 0, для произвольного оптического вихря (3) c эллиптической поляризацией:
I = |Y + Г 1 2, n 4 +|Y - Г I 2, n +
+ ( 1 + |a| 2 )| I 3, n |2 - 2Re { Y - Y + I 2*, n -1 1 2, n +1
Из (11) видно, что для оптического вихря с круговой поляризацией (то есть либо Y - =0, либо Y + = 0) распределение интенсивности осесимметричное, так как не зависит от полярного угла ф . Из (11) следует, что распределения интенсивности для вихревых пучков с левой и правой круговыми поляризациями разные:
I + = 2| I з, n I' + \ 1 2, n +1| 2 , I - = 2| I з, n |2 +| I 2, n -1| 2.
Из второго уравнения (12) для левой круговой поляризации при n = 1 следует, что интенсивность на оптической оси отлична от нуля
да
I - ( r = 0, z ) = | I 2,0, 2 = j A ( p ) eikz p 2d p > 0, (13)
но так как вклад в интенсивность (13) на оптической оси даёт только продольная компонента электрического поля (10), то свет вдоль оси распространяться не будет, то есть не будет потока энергии вдоль оптической оси. При n >1 на оптической оси интенсивность (11) всегда будет равна нулю. Поперечные составляющие вектора напряжённости магнитного поля можно найти из уравнения Максвелла для монохроматического поля:
H = - -k rot E .(14)
Получим:
H x ( r , ф , z ) = 1 in [y + ei ( n + 2 )ф 1 2, n +2 -
2 L
-Y - ei ( n - 2 )ф 1 2, n -2 +a ein ф ( 2 1 1, n - 1 2, n ) ] ,
Hy ( r , ф , z ) = — in + 1 [ y + ei ( n + 2 )ф 1 2, n +2 +
_ 2 L(16)
+ Y-ei(n-2)ф 12,n-2 - einф (211,n -12,n)], где
12,n = j p2 An (p) eikJn (krp)pdp.(17)
С помощью поперечных проекций электрического (7) и магнитного (15), (16) векторов световой волны можно получить выражение для продольной проекции вектора Умова - Пойнтинга (потока энергии), согласно формуле [16] S = c Re[ E х H * ]/(8n):
S z = ( c /8 п ) Re ( E x H * - E y H * ) , (18)
где Re - вещественная часть числа. Подставляя в (18) выражения (7), (15), и (16), получим (с точностью до c /(8n)):
S z = Re { 1 3* n [ ( 1 + |a|2 ) ( 1 1, n - 1 2, n /2 ) -
L\ ' (19)
-
- Y - Y+ e2i ф 1 2. n +2 - y + Y - e -2 i ф 1 2,n -2 ] } ,
-
2. Обратный поток энергии в начальной плоскости
и для случая круговой поляризации ( a =±1):
S z = Re { 1 3*, n ( 2 1 1, n - 1 2, n ) } . (20)
Из (20) следует, что продольный поток энергии радиально-симметричный и одинаковый для левой и правой круговых поляризаций, в отличие от распределения интенсивности.
Пусть для простоты амплитуда плоских волн описывается действительной функцией A n ( р ), тогда, подставляя в (20) из (5), (8) и (17), вместо (20) при z =0 получим:
S z = j V 1 -р 2 A n ( р ) J n ( kr р ) Р d p
X
X
да
j ( 2 -р 2 ) A n ( р ) J n ( kr р ) р d p 0
Анализ выражения (21) можно проводить только численно, выбирая подходящие функции в качестве амплитуды спектра плоских волн A n ( р ). Чтобы получить конкретный аналитический результат, рассмотрим гипотетическую функцию амплитуды спектра плоских волн в виде линейной комбинации двух дельта-функций Дирака. Физически это означает, что у светового поля часть энергии сосредоточена в узкой области спектра распространяющихся плоских волн, а часть – в области затухающих волн:
A n ( р ) = A 8 ( р-р 1 ) + B § ( р-р 2 ) , (22)
где A >0, B > 0, 0< р 1 < 1, 1 < р 2< да .
Тогда, вместо (21), получим:
S z = a V 1 - р ? J n ( kr р 1 ) р 1 X
x[ A ( 2 -р 2 ) J n ( kr р 1 ) р 1 - (23)
-B(р2 -2) Jn (krр2 )р2].
Заметим, что пучок Бесселя любого порядка является решением непараксиального уравнения Гельмгольца для любого масштаба ( k р 1 <1 - распространяющиеся пучки Бесселя, k р 2 > 1 - исчезающие или затухающие пучки Бесселя). Исчезающие пучки Бесселя используют для преодоления дифракционного предела в ближней зоне [30, 31]. Вблизи оптической оси ( kr р 1 < kr р 2<<1), оставляя в разложении Тейлора функции Бесселя только первый член, вместо (23) получим:
S z » A ТТ-Р 2
( kr ) n р Г + 1
----------X n!2n
( kr ) n
X(n!?'Г-[ A(2 - р2) рГ+1 - B(р2 - 2) рГ+1 ] < 0.
Из (24) следует, что S z <0 при выполнении условия
A
— <
B

n +1
Г р 2 - 2 ) 1 2 -р 2 J
поток энергии вблизи оптической оси в начальной плоскости обратный. Условие (25) возможно, только если р 2>21/2, то есть затухающие волны должны иметь большой коэффициент затухания. Из (24) видно, что при n =0 максимальный обратный поток будет на оптической оси.
3. Поперечные проекции вектора Пойнтинга
Для нахождения поперечных проекций вектора Пойнтинга надо знать продольную составляющую вектора напряжённости магнитного поля (14):
H z ( r , ф , z ) = - Г + + 1 [y + ei^n + 1 ) ф 1 4, n +1 + Y - e i n - 1 ) ф 1 4, n -1 ] ,(26)
где
да
1 4, n = JV 1 -р 2 A n ( р ) e k J n ( kr p ) p 2d p . (27)
Далее найдём поперечные проекции вектора Пойнтинга в начальной плоскости ( z =0) только для оптического вихря с левой круговой поляризацией (для правой находится аналогично) и с точностью до постоянной c /(8π):
S . _ = Re ( E y - H z - - E z - H ;- ) , S y - = Re ( E z - H . - - E . - H z - ) .
Подставляя в (28) выражения для проекций электрического и магнитного векторов для левой круговой поляризации (7), (10), (15), (16) и (26), получим:
S . - = - sin ф Q n ( r ), S y - = cos ф Q n ( r ),
где
Q n ( r ) = I 3, n I 4, n -1 + 2 I 2, n -1 ( I 2, n -2 + 2 1 1, n - I 2, n ) . (30)
При получении выражения (30) мы предполагали, что все интегралы – действительные числа, то есть учитывались только распространяющиеся волны. Из (29) и (30) видно, что поток энергии в начальной плоскости ( z =0) направлен по касательной к окружности любого радиуса с центром в начале координат (на оптической оси). То есть вблизи начальной плоскости поток энергии вращается по спирали по часовой или против часовой стрелки в зависимости от знака функции (30).
Для получения конкретного аналитического результата предположим, что амплитуда спектра плоских волн описывается δ-функцией Дирака: A n ( р ) = 5 ( р - р 0), где 0< р 0<1. Тогда интегралы, входящие в (30), заменяются на подынтегральные выражения, и вместо (30) получим линейную комбинацию двух функций Бесселя:
Q n ( r ) = J n -1 ( kr р 0 )[ AJ n ( kr р 0 ) + BJ n -1 ( kr р 0 ) ] ,
A = 2р0 (1 -р0),
D _ n -1 4
B = -: р 0 .
kr
В (31) . o = kr р 0. Из (31) видно, что при г > 1 величины A и B положительные. Смена знака функции Q n ( r ) происходит в точках r m , пропорциональных корням функции Бесселя ( г -1)-го порядка: Jn _i ( y n -i, m ) = 0, m = 1, 2, 3… Причём, так как нули функции Бесселя перемежаются y n -1,1 < Y n ,1 < Y n -1,2 < Y n ,2 < ^ , то перед корнем Y n -1 , m и вблизи этого корня обе функции Бесселя г -го и ( n – 1)-го порядков будут иметь одинаковые знаки (то
есть функция Q n ( r ) положительная). После корня у n -1 , m и вблизи него знак функции Бесселя ( n - 1)-го порядка изменится, а знак выражения в круглых скобках в (30) ещё не изменится, и поэтому у всего выражения (31) знак будет отрицательный. Поэтому функция Q n ( r ) будет отрицательная при Г т < r < Г т + 5 , где Г т = у n -1, т /( k p o ), а 5 - некоторая неизвестная величина, определяемая расстоянием между соседними корнями 5 <( у n , т - у n _ 1 , т )/( k p 0). Чтобы определить, на каких радиусах в картине интенсивности происходит смена знака функции (31), запишем интенсивность (12) для левой поляризации с учётом выбранной амплитуды спектра плоских волн A n ( p ) = 5 ( p - p 0), 0 < p 0< 1. Тогда получим:
-
I — = CJ n ( x o ) + DJ - 1 ( x o ),
-
4. Моделирование
C = 2 p 0 (1 -p 0 ), (32)
D = p4.
Из (32) следует, что локальные минимумы (тёмные кольца) будут находиться на радиусах, расположенных между корнями двух соседних функций Бесселя Jn -1( x ), Jn ( x ), то есть примерно на радиусах r m * ( Y n -1, т + Y n , т )/(2 k p 0 ), т = 1,2,3... Сравнивая выражения (31) и (32), приходим к заключению, что отрицательные значения функции Qn ( r )<0 (поток энергии вращается по часовой стрелке) будут лежать на внешних сторонах светлых колец в распределении интенсивности (32) при гт < г < гт + 5 < Г т . На внутренних сторонах (а вернее, на остальной части светлого кольца) светлых колец ( Г т < r < гт + 1) вращение потока энергии будет против часовой стрелки ( Qn ( r ) > 0).
Рассмотрим световое поле с угловым спектром (22). Это поле представляет собой суперпозицию двух мод Бесселя - одной распространяющейся и одной затухающей:
E x ( x , У , z ) = e in ф [ Ae ikz' ' Jn ( kr p 1 ) +
+iBek v1^ Jn (kr p2)], Ey = i aEx.
Тогда, согласно (25), при условии
A < f p2)n f p2 - 2 ) I1 -p?B Ip1 J 12-p2 J V pi -1
вблизи оптической оси в начальной плоскости возникает обратный поток энергии. Выполнения условия (34) всегда можно добиться увеличением вклада B затухающих волн.
Для численного моделирования выберем следующие параметры: длина волны X = 532 нм, p1=0,8, p2 = 2,4, A = 1, топологический заряд n = 3, поляризация - левая круговая (а = -1) и правая круговая (а = +1), расчётная область z = 0, -R < x, y < R (R = 2,5X). Из (34) следует, что для возникновения обратного потока необходимо, чтобы A /B <20,53. Вы- берем B = 1 и B =10. На рис. 1 приведены распределе -ния интенсивности и потока мощности суперпозиции мод Бесселя (33) в начальной плоскости для разного вклада затухающей моды B =1 (рис. 1 а, б) и B =10 (рис. 1 в, г), а также для разной круговой поляризации.
Из рис. 1 видно, что при усилении вклада затухающих волн усиливается и мощность отрицательного светового потока. Так, при B = 1 максимальная (по модулю) мощность отрицательного потока составила 7,4% от максимальной мощности положительного потока, в то время как при B = 10 это соотношение составило 75 %. Также видно, что отрицательный поток возникает в первом световом кольце, так как кольцо у затухающей моды Бесселя имеет меньший диаметр.
Далее рассмотрим формирование отрицательного потока для безвихревого поля ( n = 0). На рис. 2 приведено распределение интенсивности и потока мощности суперпозиции мод Бесселя (33) в начальной плоскости. Вклад затухающей моды B =10, поляризации - левая круговая, остальные параметры те же, что и на рис. 1.
Из рис. 2 видно, что в этом случае максимальный отрицательный поток формируется в центре дифракционной картины.
В эксперименте найти и зарегистрировать обратный поток энергии достаточно трудно, так как он возникает в области светлых колец в распределении интенсивности (рис. 1). Поэтому для обнаружения обратного потока нужно одновременно измерять и распределение интенсивности в плоскости фокуса, и распределение модуля потока энергии. Если на одном и том же радиусе в плоскости фокуса интенсивность отлична от нуля (светлое кольцо), а распределение модуля вектора Пойнтинга равно нулю (тёмное кольцо), то в этом месте поток энергии распространяется в обратном направлении. Заметим, что при обратном распространении рассмотренного вихря картины интенсивности и потока энергии такие же, как на рис. 1, будут возникать в плоскости фокуса.
Заключение
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, круговой поляризацией и произвольной радиально-симметричной действительной функцией амплитуды плоских волн. Получены также выражения для распределения интенсивности и всех трёх проекций вектора Пойнтинга в начальной плоскости оптического вихря только с левой круговой поляризацией. В частном случае узкого углового спектра плоских волн (пучок Бесселя) показано, что при наличии в начальном световом поле неоднородных затухающих волн на оптической оси может возникать обратный поток световой энергии. Этот обратный поток можно использовать, чтобы «затянуть» микрочастицу в центр кольцевой перетяжки вихревого пучка, то есть продемонстрировать эффект «оптического трактора». Также показано, что в начальной плоско- сти (в плоскости перетяжки) имеет место эффект «углового трактора», когда на разных радиусах относительно оптической оси поперечный поток энергии вращается по часовой или против часовой стрелки. С помощью полученных общих выражений можно анализировать особенности продольного и поперечного светового потоков энергии и для других известных точных решений уравнения Максвелла.

Рис. 1. Двумерные распределения интенсивности (негатив) и наложенные на них одномерные распределения потока мощности суперпозиции двух мод Бесселя (33) в начальной плоскости (z = 0) для разного вклада затухающей моды B = 1 (а, б) и B = 10 (в, г), а также для левой (а, в) и правой круговой поляризации (б, г)

Рис. 2. Двумерное распределение интенсивности (негатив) и наложенное на него одномерное распределение потока мощности суперпозиции двух мод Бесселя (33) в начальной плоскости (z = 0)
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 17-19-01186) в части «Интенсив- ность и продольная проекция вектора Пойнтинга», Российского фонда фундаментальных исследований (грант 18-29-20003 в части «Обратный поток энергии в начальной плоскости» и грант 18-07-01129 в части «Поперечные проекции вектора Пойнтинга»), а также Министерства науки и высшего образования РФ в рамках Государственного задания ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН (соглашение № 007-ГЗ/Ч3363/26) в части «Моделирование».
Список литературы Обратный поток энергии у непараксиального оптического вихря в ближней зоне
- 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
- 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
- Wilk, S.R. The pull of the tractor beam/S.R. Wilk//Optics and Photonics News. -2009. -Vol. 20. -P. 12-15.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Braunbek, W. Einzelheiten zur Halbebenen-Beugung/W. Braunbek, G. Laukien//Optik. -1952. -Vol. 9. -P. 174-179.
- 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
- 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
- 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
- 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
- Игнатовский, В.С. Дифракция объектива при любом отверстии/В.С. Игнатовский//Труды ГОИ. -Петроград. -1919. -Т. 1. -С. 1-36.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Миллер, У. Симметрия и разделение переменных/У. Миллер. -Мир, Москва, 1981. -343 c.
- 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
- 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
- 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