Острая фокусировка светового поля с поляризационной и фазовой сингулярностью произвольного порядка
Автор: Котляр Виктор Викторович, Стафеев Сергей Сергеевич, Ковалв Алексей Андреевич
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии
Статья в выпуске: 3 т.43, 2019 года.
Бесплатный доступ
С помощью формализма Ричардса-Вольфа получены общие формулы для проекций векторов напряженности электрического и магнитного полей вблизи острого фокуса оптического вихря с топологическим зарядом m и азимутальной поляризацией порядка n . Получены простые следствия из этих формул при разных значениях чисел m и n . При условии m = n >1 на оптической оси будет отличная от нуля интенсивность, такая же, как при фокусировке светового поля без вихря и с круговой поляризацией. А при условии n = m +2 вблизи оптической оси в плоскости фокуса будет иметь место обратный поток световой энергии. Полученные формулы можно использовать как для моделирования острой фокусировки оптических полей с двойной сингулярностью (фазовой и поляризационной), так и для теоретического анализа распределений интенсивности и вектора Пойнтинга в фокусе.
Острая фокусировка, формулы ричардса-вольфа, оптический вихрь, топологический заряд, фазовая сингулярность, поляризационная сингулярность, вектор пойнтинга, обратный поток энергии, симметрия фокусного пятна
Короткий адрес: https://sciup.org/140246460
IDR: 140246460 | DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-3-337-346
Sharp focusing of a light field with polarization and phase singularities of an arbitrary order
Using the Richards-Wolf formalism, we obtain general expressions for all components of the electric and magnetic strength vectors near the sharp focus of an optical vortex with the topological charge m and nth -order azimuthal polarization. From these equations, simple consequences are derived for different values of m and n . If m = n >1, there is a non-zero intensity on the optical axis, like the one observed when focusing a vortex-free circularly polarized light field. If n = m +2, there is a reverse flux of light energy near the optical axis in the focal plane. The derived expressions can be used both for simulating the sharp focusing of optical fields with the double singularity (phase and polarization) and for a theoretical analysis of focal distributions of the intensity and the Poynting vector, allowing one to reveal the presence of rotational symmetry or the on-axis reverse energy flux, as well as the focal spot shape (a circle or a doughnut).
Список литературы Острая фокусировка светового поля с поляризационной и фазовой сингулярностью произвольного порядка
- 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. - DOI: 10.1098/rspa.1959.0200
- Youngworth, K.S. Focusing of high numerical aperture cylindrical-vector beams / K.S. Youngworth, T.G. Brown // Optics Express. - 2000. - Vol. 7, Issue 2. - P. 77-87. - DOI: 10.1364/OE.7.000077
- Zhan, Q. Focus shaping using cylindrical vector beams / Q. Zhan, J.R. Leger // Optics Express. - 2002. - Vol. 10, Issue 7. - P. 324-331. - DOI: 10.1364/OE.10.000324
- Zhan, Q. Cylindrical vector beams: from mathematical concepts to applications / Q. Zhan // Advances in Optics and Photonics. - 2009. - Vol. 1, Issue 1. - P. 1-57. - DOI: 10.1364/AOP.1.000001
- 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
- Rashid, M. Focusing of high order cylindrical vector beams / M. Rashid, O.M. Marago, P.H. Jones // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. - 2009. - Vol. 11, Issue 6. - 065204. -
- DOI: 10.1088/1464-4258/11/6/065204
- Milione, G. Higher-order Poincaré sphere, stokes parameters, and angular momentum of light / G. Milione, H.I. Sztul, D.A. Nolan, R.R. Alfano // Physical Review Letters. - 2011. - Vol. 107, Issue 5. - 053601. -
- DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.053601
- Holleczek, A. Classical and quantum properties of cylindrically polarized states of light / A. Holleczek, A. Aiello, C. Gabriel, C. Marquardt, G. Leuchs // Optics Express. - 2011. - Vol. 19, Issue 10. - P. 9714-9736. -
- DOI: 10.1364/OE.19.009714
- Chen, S. Generation of arbitrary cylindrical vector beams on the higher order Poincaré sphere / S. Chen, X. Zhou, Y. Liu, X. Ling, H. Luo, S. Wen // Optics Letters. - 2014. - Vol. 39, Issue 18. - P. 5274-5276. -
- DOI: 10.1364/OL.39.005274
- Wang, T. Focusing properties of cylindrical vector vortex beams with high numerical aperture objective / T. Wang, C. Kuang, X. Hao, X. Liu // Optik. - 2013. - Vol. 124, Issue 21. - P. 4762-4765. -
- DOI: 10.1016/j.ijleo.2013.01.070
- Gong, L. Generation of cylindrical polarized vector vortex beams with digital micromirror device / L. Gong, Y. Ren, W. Liu, M. Wang, M. Zhong, Z. Wang // Journal of Applied Physics. - 2014. - Vol. 116. - 183105. -
- DOI: 10.1063/1.4901574
- Zhang, X. Focusing properties of cylindrical vector vortex beams / X. Zhang, R. Chen, A. Wang // Optics Communications. - 2018. - Vol. 414. - P. 10-15. -
- DOI: 10.1016/j.optcom.2017.12.076
- Han, Y. Orbital angular momentum transition of light using a cylindrical vector beam / Y. Han, L. Chen, Y.-G. Liu, Z. Wang, H. Zhang, K. Yang, K.C. Chou // Optics Letters. - 2018. - Vol. 43, Issue 9. - P. 2146-2149. -
- DOI: 10.1364/OL.43.002146
- Li, Y. Propagation evolution of an off-axis high-order cylindrical vector beam / Y. Li, Z. Zhu, X. Wang, L. Gong, M. Wang, S. Nie // Journal of the Optical Society of America A. - 2014. - Vol. 31, Issue 11. - P. 2356-2361. -
- DOI: 10.1364/JOSAA.31.002356
- Matsusaka, S. Micro-hole drilling by tightly focused vector beams / S. Matsusaka, Y. Kozawa, S. Sato // Optics Letters. - 2018. - Vol. 43, Issue 7. - P. 1542-1545. -
- DOI: 10.1364/OL.43.001542
- 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
- 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
- Стафеев, С.С. 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
- Pal, S.K. C-point and V-point singularity lattice formation and index sign conversion methods / S.K. Pal, Ruchi, P. Senthilkumaran // Optics Communications. - 2017. - Vol. 393. - P. 156-168. -
- DOI: 10.1016/j.optcom.2017.02.048
- Ruchi. Generation of V-point polarization singularity lattices / Ruchi, S. Pal, P. Senthilkumaran // Optics Express. - 2017. - Vol. 25, Issue 16. - P. 19326-19331. -
- DOI: 10.1364/OE.25.019326
- Stafeev, S.S. Tight focusing of a quasi-cylindrical optical vortex / S.S. Stafeev, V.V. Kotlyar // Optics Communications. - 2017. - Vol. 403. - P. 277-282. -
- DOI: 10.1016/j.optcom.2017.07.054
