Спин-орбитальное преобразование в остром фокусе

Котляр В.В., Ковалев А.А., Налимов А.Г., Козлова Е.С., Телегин А.М.

Ссылка для цитирования:

Котляр В.В., Ковалев А.А., Налимов А.Г., Козлова Е.С., Телегин А.М. Спин-орбитальное преобразование в остром фокусе // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 4. С. 3–13. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-04-3-13

Kotlyar V.V., Kovalev A.A., Nalimov A.G., Kozlova E.S., Telegin A.M. Spin-orbit transformation in a sharp focus [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 4. P. 3–13. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-04-3-13

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Лазерные векторные вихревые пучки и их острая фокусировка. Эффект спин-орбитального преобразования в фокусе. Цель работы. Теоретическое исследование и компьютерное моделирование специфики спин-орбитальных эффектов, возникающих при острой фокусировке оптических вихрей с круговой поляризацией. Метод. Теоретическое и численное исследование проводилось методом Ричардса–Вольфа, который основан на интегралах Дебая. Основные результаты. Рассчитаны усреднённые по сечению пучка в плоскости фокуса поперечные и продольные составляющие векторов Пойнтинга (потока энергии), спинового углового момента и орбитального углового момента. Практическая значимость. Впервые показано, что при спин-орбитальной конверсии часть продольного спинового углового момента не переходит (не трансформируется) в продольный орбитальный угловой момент, как обычно считается. Показано, что полный спиновый угловой момент сохраняется при фокусировке, и только перераспределяется: часть продольной составляющей преобразуется в поперечную (азимутальную) составляющую. Причина формирования орбитального углового момента в фокусе в том, что пучок с круговой поляризацией порождает в фокусе два оптических вихря: поперечный с топологическим зарядом 2 и продольный с зарядом 1. Эти вихри и генерируют азимутальный поток энергии в фокальной плоскости.

Ключевые слова:

спиновый угловой момент, спин-орбитальное преобразование, топологический заряд, орбитальный угловой момент, вектор Пойнтинга

Благодарность:

работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-12-00236 (в части теории) и в рамках Государственного задания НИЦ «Курчатовский институт» (в части моделирования)

Коды OCIS: 030.1670

Список источников:

1. Poynting J.H. The wave motion of a revolving shaft, and a suggestion as to the angular momentum in a beam of circularly polarised light // Proc R Soc Lond A. 1909. V. 82. № 557. P. 560–7. https://doi.org/10.1098/rspa.1909.0060
2. Beth R.A. Mechanical detection and measurement of the angular momentum of light // Phys Rev. 1936. V. 50. № 2. P. 115–25. https://doi.org/10.1103/PhysRev. 50.115
3. Allen L., Beijersbergen M.W., Spreeuw R.J.C., Woerdman J.P. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre–Gaussian laser modes // Phys Rev A. 1992. V. 45. № 11. P. 8185–9. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.45.8185
4. Bokor N., Iketaki Y., Watanabe T., Fujii M. Investigation of polarization effects for high-numerical-aperture first-order Laguerre–Gaussian beams by 2D scanning with a single fluorescent microbead // Opt Express. 2005. V. 13. № 26. P. 10440–7. https://doi.org/10.1364/OPEX.13.010440
5. Kotlyar V.V., Kovalev A.A., Telegin A.M. Angular and orbital angular momenta in the tight focus of a circularly polarized optical vortex // Photonics. 2023. V. 10. P. 160. https://doi.org/10.3390/photonics10020160
6. Bomzon Z., Gu M., Shamir J. Angular momentum and geometric phases in tightly-focused circularly polarized plane waves // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. № 24. P. 241104. https://doi.org/10.1063/1.2402909
7. Richards B., Wolf E. Electromagnetic diffraction in optical systems. II. Structure of the image field in an aplanatic system // Proc R Soc A Math Phys Eng Sci. 1959. V. 253. № 1274. P. 358–79.
8. Bomzon Z., Gu M. Space-variant geometrical phases in focused cylindrical light beams // Opt. Lett. 2007. V. 32. № 20. P. 3017–3019. https://doi.org/10.1364/OL.32.003017
9. Zhao Y., Edgar J.S., Jeffries G.D.M., McGloin D., Chiu D.T. Spin-to-orbital angular momentum conversion in a strongly focused optical beam // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 99. № 7. P. 073901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.073901
10. Nieminen T.A., Stilgoe A.B., Heckenberg N.R., Rubinsztein-Dunlop H. Angular momentum of a strongly focused Gaussian beam // J. Opt. A. Pure Appl. Opt. 2008. V. 10. № 11. P. 115005. http://doi.org/10.1088/1464-4258/10/11/115005
11. Zhao Y., Shapiro D., McGloin D., Chiu D.T., Marchesini S. Direct observation of the transfer of orbital angular momentum to metal particles from a focused circularly polarized Gaussian beam // Opt. Express. 2009. V. 17. № 25. P. 23316–23322. https://doi.org/10.1364/OE.17.023316
12. Gorodetski Y., Niv A., Kleiner V., Hasman E. Observation of the spin-based plasmonic effect in nanoscale structures // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101. № 4. P. 043903

13. Monteiro P.B., Neto P.A.M., Nussenzveig H.M. Angular momentum of focused beams: Beyond the paraxial approximation // Phys. Rev. A. 2009. V. 79. № 3. P. 033830.
14. Rodríguez-Herrera O.G., Lara D., Bliokh K.Y., Ostrovskaya E.A., Dainty C. Optical nanoprobing via spinorbit interaction of light // Phys. Rev. Lett. 2010. V. 104. № 25. P. 253601. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.253601
15. Foreman M.R., Török P. Spin-orbit coupling and conservation of angular momentum flux in non-paraxial imaging of forbidden radiation // New J. Phys. 2011. V. 13. № 6. P. 063041. http://doi.org/10.1088/1367-2630/13/6/063041
16. Bliokh K.Y., Ostrovskaya E.A., Alonso M.A., Rodríguez-Herrera O.G., Lara D., Dainty C. Spin-to-orbital angular momentum conversion in focusing, scattering, and imaging systems // Opt. Express. 2011. V. 19. P. 26132–26149. https://doi.org/10.1364/OE.19.026132.
17. 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. V. 29. P. 39419–39427. https://doi.org/10.1364/OE.443271
18. Arzola A.V., Chvátal L., Jákl P. et al. Spin to orbital light momentum conversion visualized by particle trajectory // Sci Rep. 2019. V. 9. P. 4127. https://doi.org/10.1038/s41598-019-40475-z
19. Guo Ji-Xiang, Wang Wen-Yue, Cheng Tian-Yu, Lü Jia-Qi. Interaction of spin-orbit angular momentum in the tight focusing of structured light // Frontiers in Physics. 2022. V. 10. P. 1079265. https://doi.org/10.3389/fphy.2022.1079265
20. Wu Y., Yu P., Liu Y., Wang Z., Li Y., Gong L. Timevarying optical spin-orbit interactions in tight focusing of self-torqued beams // Journal of Lightwave Technology. 2023. V. 41. № 7. P. 2252–2258. https://doi.org/ 10.1109/JLT.2022.3210953
21. Bliokh K.Y., Rodriguez-Fortuno F.J., Nori F., Zayats A.V. Spin-orbit interactions of light // Nature Photon. 2015. V. 9. № 12. P. 796–808. https://doi.org/10.1038/nphoton.2015.201
22. Angelsky O.V., Mokhun I.I., Bekshaev A.Y., Zenkova C.Y., Zheng J., Polarization singularities: Topological and dynamical aspects // Frontiers in Physics. 2023. V. 11. P. 1147788. https://doi.org/10.3389/fphy.2023.1147788
23. Hendriks F., Rojas-Lopez R.R., Koopmans B., Guimarães M.H.D. Electric control of optically-induced magnetization dynamics in a van der Waals ferromagnetic semiconductor // Nat Commun. 2024. V. 15. № 1. P. 1298. https://doi.org/ 10.1038/s41467-024-45623-2
24. Yan W., Hu X., Li Y, Chen R. Energy backflow in tightly focused fractional order vector vortex beams with binary topological charges // Photonics. 2023. V. 10. № 7. P. 820. https://doi.org/10.3390/photonics10070820
25. Wang W., Zhao R., Kang Q., Wang R., Liu X., Liu T., Fan S.W., Guo Z. Photonic spin Hall effect driven broadband multi-focus dielectric metalens // Appl Opt. 2023. V. 62. № 30. P. 8159–8167. https://doi.org/10.1364/AO.502888
26. Shen Y., Zhang Q., Shi P. et al. Optical skyrmions and other topological quasiparticles of light // Nat. Photon. 2024. V. 18. P. 15–25. https://doi.org/10.1038/s41566-023-01325-7
27. Berškys J., Orlov S. Interaction of photonic wheel with cluster of nanoparticles // 2021 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and European Quantum Electronics Conference, OSA Technical Digest (Optica Publishing Group, 2021). 2021. Paper eg_p_10.
28. Kotlyar V.V., Stafeev S.S., Zaitsev V.D., Telegin A.M., Kozlova E.S. Spin–orbital transformation in a tight focus of an optical vortex with circular polarization // Appl. Sci. 2023. V. 13. P. 8361. https://doi.org/10.3390/app13148361
29. Kovalev A.A., Kotlyar V.V. Spin Hall effect of doubleindex cylindrical vector beams in a tight focus // Micromachines. 2023. V. 14. № 2. P. 494. https://doi.org/10.3390/mi14020494
30. Ghosh B., Daniel A., Gorzkowski B., Bekshaev A.Y., Lapkiewicz R., Bliokh K.Y. Canonical and Poynting currents in propagation and diffraction of structured light: tutorial // J. Opt. Soc. Am. B. 2024. V. 41. P. 1276–1289. https://doi.org/10.1364/JOSAB.522393