КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 18-19-00595

НазваниеУправление угловым моментом электромагнитного поля с помощью спиральных металинз

РуководительСтафеев Сергей Сергеевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2018 г. - 2020 г.

, продлен на 2021 - 2022. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые словаОптический вихрь, орбитальный угловой момент, топологический заряд, уравнение Гельмгольца, уравнения Максвелла, распространение лазерного пучка, беспроводные оптические и квантовые коммуникации, оптический захват микрообъектов

Код ГРНТИ29.33.43

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение трёх связанных проблем в оптике лазерных пучков. 1. Проблема устойчивой беспроводной связи через атмосферные турбулентности. Известно, что в отличие от гауссова пучка некоторые лазерные пучки обладают свойством самовосстановления при попадании в такой пучок небольшого по размеру препятствия. Но для сильной турбулентности свойство самовосстановления не работает. Кроме того, при использовании оптических вихрей для мультиплексирования в свободном пространстве их расходимость растёт с ростом топологического заряда, что повышает стоимость приёмной аппаратуры и ограничивает число ортогональных оптических сигналов. Нужны новые пучки и новые способы регистрации информации. В проекте эта проблема будет решаться с помощью поиска новых вихревых лазерных пучков, обладающих орбитальным угловым моментом, и устойчивых к искажениям турбулентности. 2. Проблема повышения плотности передачи информации и повышения безопасности в квантовой информатике. Высокую безопасность гарантирует передача информации с помощью перепутанных по орбитальному угловому моменту фотонов. Для формирования перепутанных по моменту фотонов, например, при параметрическом рассеянии, требуются лазерные пучки накачки, обладающие дробным орбитальным угловым моментом. В проекте будут получены новые параметрические вихревые лазерные пучки, которые обобщают известные вихревые пучки. Орбитальный угловой момент таких пучков не является квантованным и может варьироваться непрерывно. 3. Проблема точного расчёта распределения электромагнитного поля при оптическом захвате микрообъектов в условиях острой фокусировки. При фокусировке параксиальных пучков нельзя точно рассчитывать силы и моменты сил со стороны света на помещенную в фокус микрочастицу. В проекте будут теоретически и экспериментально исследованы новые непараксиальные сходящиеся вихревые лазерные пучки с линейной, круговой, и цилиндрической (неоднородной) поляризациями. Будут получены все составляющие вектора Умова-Пойнтинга и плотности углового момента. Это позволит рассчитывать тензор напряжений Максвелла, и, следовательно, силу, спиновый и орбитальный угловой момент, действующий на рэлеевскую микрочастицу в фокусе (размер такой частицы много меньше длины волны). Новизна проекта состоит в том, что будут исследованы теоретически и сформированы экспериментально новые виды оптических вихрей с альтернативными формами поперечного сечения интенсивности и с дробным орбитальным угловым моментом. Актуальность рассматриваемых проблем для физики в целом объясняется тем, что теоретические результаты данного проекта будут получены посредством найденных в аналитическом виде новых решениях уравнения Гельмгольца и его параксиального приближения (уравнения типа Шрёдингера), а потому универсальны для волновых процессов, встречающихся в физике в самых разных областях. Актуальность рассматриваемых проблем для прикладных оптических задач состоит в том, что найденные решения позволят формировать фотоны для квантовых коммуникаций с перепутанным состоянием (по орбитальному угловому моменту), обнаружить новые ортогональные оптические сигналы для мультиплексирования в беспроводной оптической связи, а также расширить возможности управления траекторией микрообъектов, перемещаемых в световых ловушках.

Ожидаемые результаты
Ожидаемые в данном проекте результаты носят, прежде всего, фундаментальный характер. Их научная значимость заключается в теоретически полученных новых решениях уравнений Максвелла, Гельмгольца и Шрёдингера, описывающих световые поля с новыми физическими свойствами. Поэтому результаты применимы для любых диапазонов длин волн монохроматического электромагнитного излучения и для любых однородных диэлектрических сред. Кроме того, уравнение Гельмгольца выполняется для волн любой природы и его решения могут описывать, например, колебания давления в звуковых волнах, а также распространение пучков атомов и электронов. В то же время, ожидаемые результаты обладают и прикладной ценностью: на основе результатов могут быть спроектированы новые виды оптических и акустических ловушек микрообъектов, а также системы классических оптических и квантовых коммуникаций. Перечень ожидаемых результатов следующий: - Методами Фурье-оптики современная теория идеальных оптических вихрей получит дальнейшее развитие: будут теоретически и экспериментально исследованы новые виды идеальных оптических вихрей с новой формой поперечного сечения интенсивности. К настоящему моменту известны только круглые идеальные оптические вихри. Они имеют вид бесконечно узкого светового кольца, радиус которого не зависит от топологического заряда. Их орбитальный угловой момент может принимать только квантованные значения, равные произведению целочисленного топологического заряда на постоянную Планка. В данном проекте планируется создание теории идеальных вихрей в форме эллипса, полумесяца (дуги), и, возможно, других пространственных кривых. Орбитальный угловой момент таких вихрей может меняться непрерывно и принимать любое требуемое значение. Традиционные области применения оптических вихрей вообще и идеальных вихрей в частности – микромеханика, оптические коммуникации в волноводах и в свободном пространстве, а также формирование перепутанных пар фотонов для квантовых коммуникаций. Расширение теории идеальных вихрей позволит соответственно расширить возможности указанных областей – осуществлять высокоэффективное формирование новых траекторий движения управляемых светом микрообъектов, а также управлять орбитальным угловым моментом оптических пучков и перепутанных пар фотонов в системах соответственно классической и квантовой передачи информации. - Будет обобщена теория асимметричных оптических вихрей. С этой целью будет теоретически и экспериментально изучена пространственная динамика Гауссовых пучков с вихрем, смещённым с оптической оси, а также с несколькими оптическими вихрями. Большинство оптических вихрей имеют радиально-симметричное распределение интенсивности и квантованный орбитальный угловой момент. Исследование влияния смещения вихря с оптической оси позволит менять орбитальный угловой момент непрерывно. Кроме того, в оптических коммуникациях известной проблемой кодирования сигнала с помощью ОУМ является рост расходимости пучков с ростом топологического заряда. Это повышает требования к размерам приёмной аппаратуры и, следовательно, к её удорожанию. Смещением оптического вихря от центра Гауссова пучка также можно кодировать передаваемую информацию, но при этом ожидается, что расходимость таких пучков будет не превышать стандартную расходимость Гауссовых пучков. - Будет развита теория непараксиальных векторных оптических вихрей с различными состояниями поляризации. Будет получено точное решение системы уравнений Максвелла, описывающее непараксиальные быстро расходящиеся или, наоборот, остро фокусирующиеся в отсутствие линз оптические вихри (вихри Ханкеля) с правой и левой круговой поляризацией, а также с неоднородной поляризацией, включающей поляризационные сингулярности (в частности, радиальную и азимутальную поляризацию). Для оптического манипулирования микрообъектами часто используются параксиальные световые пучки, хотя в таких задачах требуется высокая концентрация мощности лазерного излучения, которая достигается его острой фокусировкой. Существуют работы по острой фокусировке параксиальных лазерных пучков, но распределение интенсивности и плотности орбитального углового момента вблизи фокуса удаётся рассчитать только численно, при этом для оптических вихрей Ханкеля будут получены аналитические выражения для вектора Пойнтинга и будет исследовано влияние поляризации на орбитальный угловой момент. Получение аналитических выражений для всех проекций электрической и магнитной напряженности, а также вектора Пойнтинга, позволит рассчитывать максвелловский тензор напряжения и силы, действующие на захватываемые микрообъекты. Кроме того, световые поля с поляризационными сингулярностями применимы для формирования затухающих поверхностных плазмонных волн. В этом случае граница диэлектрика и металла должна освещаться существенно непараксиальным световым полем с неоднородной поляризацией. Следовательно, для изучения свойств формирующейся затухающей волны требуется поиск точного решения уравнений Максвелла, описывающего непараксиальный световой пучок с поляризационной сингулярностью. Такое решение и планируется получить. С помощью пространственного модулятора света и с помощью изготовленных дифракционных оптических элементов будет экспериментально исследован оптический захват и перемещение микрообъектов в новых видах световых пучков. Результаты работ будут опубликованы в одной монографии и не менее, чем в 20 рецензируемых статьях в научных журналах, включая журналы с высоким индексом цитирования Physical Review A, Optics Letters, Optics Express, Journal of Optics (UK), Journal of the Optical Society of America A, что подтверждает соответствие результатов мировому уровню исследований. В результате работ планируется защита одной кандидатской и одной докторской диссертации. Возможное практические использование запланированных результатов проекта в экономике и социальной сфере – повышение пропускной способности и безопасности классических и квантовых систем беспроводной передачи информации.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1. С помощью формул Ричардса–Вольфа доказано, что при острой фокусировке апланатической системой лазерного пучка с произвольной функцией аподизации и азимутально-радиальной поляризацией m-го порядка на оптической оси в плоскости фокуса имеет место обратный поток световой энергии (при m = 2) или на оптической оси в фокусе обратный поток равен нулю, а вблизи оси обратный поток растёт по модулю квадратично от расстояния до оси (при m = 3). Азимутально-радиальный пучок m-го порядка является примером поляризационного вихря. Ранее обратный поток энергии в фокусе был обнаружен только для вихревых лазерных пучков с топологическим зарядом m и круговой поляризацией. Численно с помощью FDTD-метода и формул Ричардса–Вольфа показано, что в фокусе зонной пластинки для таких лазерных пучков имеются области, в которых направление вектора Пойнтинга противоположно направлению распространения пучка. 2. С помощью формул Ричардса – Вольфа для дифракционной линзы показано, что при острой фокусировке произвольного оптического вихря с топологическим зарядом 2 и левой круговой поляризацией в плоскости фокуса на оптической оси имеет место обратный поток световой энергии (осевая проекция вектора Пойнтинга отрицательная). Такой же результат мы получили численно с помощью строгого расчёта FDTD-методом дифракции плоской волны с левой круговой поляризацией на вихревой зонной пластинке с топологическим зарядом 2 и числовой апертурой около 1. Причём величина обратного потока сравнима с прямым потоком энергии. Мы также показали, что обратный поток энергии в рассматриваемом случае имеет место на всей оптической оси, но максимальное по модулю значение имеет в плоскости фокуса и быстро спадает при удалении от него. Длина отрезка вдоль оптической оси, на которой значение модуля обратного потока спадает в два раза (глубина обратного потока), почти совпадает с глубиной фокуса, а поперечный кружок, в котором поток энергии обратный, примерно совпадает с диском Эйри. 3. Получено простое замкнутое выражение для нормированного орбитального углового момента (на единицу мощности) произвольного параксиального светового пучка эллиптической формы, прошедшего через эллиптическую спиральную фазовую пластинку, повёрнутую на произвольный угол вокруг оптической оси. При этом эллиптичности пучка и спиральной фазовой пластинки могут отличаться. Показано, что если эллиптический пучок освещает эллиптическую спиральную фазовую пластинку, то нормированный орбитальный угловой момент выходного пучка максимален (минимален), когда пучок и спиральная фазовая пластинка ориентированы параллельно (ортогонально). Результаты могут быть использованы в оптических ловушках, например, для непрерывного изменения орбитального углового момента, передаваемого частице, путём поворота спиральной фазовой пластинки вокруг оптической оси.

Публикации

1. Ковалев А.А. Orbital angular momentum of an elliptically symmetric laser beam after passing an elliptical spiral phase plate Computer Optics, Т. 42, № 4. – С. 606-613 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.18287/2412-6179-2017-42-4-606-613

2. Ковалев А.А., Котляр В.В. Tailoring polarization singularities in a Gaussian beam with locally linear polarization Optics Letters, Vol. 43(13), P. 3084-3087 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1364/OL.43.003084

3. Котляр В.В., Ковалев А.А. Налимов А.Г. Backward flow of energy for an optical vortex with arbitrary integer topological charge Computer Optics, Т. 42, № 3. – С. 408-413. (год публикации - 2018) https://doi.org/10.18287/2412-6179-2018-42-3-408-413

4. Котляр В.В., Ковалёв А.А., Порфирьев А.П. Observation of an optical "angular tractor" effect in a Bessel beam. Computer Optics, Т. 42, № 4. – С. 550-556 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.18287/2412-6179-2018-42-4-550-556

5. Котляр В.В., Налимов А.Г., Ковалев А.А. Helical reverse flux of light of a focused optical vortex Journal of Optics, J. Opt., Vol. 20, P. 095603 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1088/2040-8986/aad606

6. Котляр В.В., Налимов А.Г., Стафеев С.С. The near-axis backflow of energy in a tightly focused optical vortex with circular polarization Computer Optics, Т. 42, № 3. – С. 392-400 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.18287/2412-6179-2018-42-3-392-400

7. Котляр В.В., Налимов А.Г., Стафеев С.С. Energy backflow in the focus of an optical vortex Laser Physics, Vol. 28, P. 126203 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1088/1555-6611/aae02f

8. Стафеев С.С., Налимов А.Г. Longitudinal component of the poynting vector of a tightly focused optical vortex with circular polarization Computer Optics, Т. 42, № 2. – С. 190-196 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.18287/2412-6179-2018-42-2-190-196

9. Стафеев С.С., Налимов А.Г., Котляр В.В. Energy backflow in a focal spot of the cylindrical vector beam Computer Optics, Т. 42, № 5. – С. 744-750 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.18287/2412-6179-2018-42-5-744-750

10. Стафеев С.С., Налимов А.Г., О'Фаолейн Л., Котляр М.В. Effects of fabrication errors on the focusing performance of a sector metalens Computer Optics, Т. 42, № 6. – С. 970-976. - Принята к публикации (год публикации - 2018) https://doi.org/10.18287/2412-6179-2018-42-6-970-976

11. Харитонов С.И., Волотовский С.Г., Хонина С.Н. Calculation of the angular momentum of an electromagnetic field inside a waveguide with absolutely conducting walls Computer Optics, Т. 42, № 4. – С. 588-605 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.18287/2412-6179-2018-42-4-588-605

12. Котляр В.В., Стафеев С.С., Налимов А.Г. Острая фокусировка лазерного света с помощью микрооптики Самара: ООО «Новая техника», Самара: ООО «Новая техника», 2018. – 344 с. (год публикации - 2018)

13. Стафеев С.С., Налимов А.Г., Котляр М.В., О'Фаолейн Л., Котляр В.В. Subwavelength Gratings for Polarization Control Journal of Physics: Conference Series, Journal of Physics: Conf. Series, Vol.1096, P. 012020 (2018) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1096/1/012020

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Нами исследовались металинзы, спроектированные на основе использования субволновых решёток. Такие субволновые решётки анизотропны – ТЕ- и ТМ-поляризованные волны, проходящие через них, будут приобретать разный набег фазы. На основе данного эффекта можно создавать аналоги классических полуволновых пластинок, поворачивающих направление поляризации. Ориентация такой волновой пластинки будет определяться направлением рельефа решётки. Так как рельеф дифракционного элемента можно направлять в любую сторону, то на основе субволновых решёток можно создавать элементы, преобразующие линейно-поляризованный пучок в пучок с пространственно неоднородным направлением поляризации – изменяющимся в различных точках в поперечном сечении пучка. Нами были исследованы металинзы, представляющие собой соединения бинарных зонных пластинок с числовой апертурой близкой к единице с набором бинарных субволновых дифракционных решёток, работающих как полуволновые пластины и выполняющих поворот поляризации падающего поля. В работе были изготовлены несколько таких металинз. Металинза, предназначенная для острой фокусировки лазерного излучения, представляла собой соединение спиральной зонной пластинки с топологическим зарядом m=1 и секторной субволновой решётки, работающей как полуволновая пластинка. Линза состоит из 16 радиальных секторов, каждый из которых поворачивает поляризацию падающего на нее излучения таким образом, чтобы она стала близка к азимутальной поляризации. Каждый из 16 секторов разбит на подобласти в форме части дуги окружности. Угол линий рельефа в соседних областях подобран таким образом, чтобы поляризация света, проходящего через них, отличалась на пи. Падающий на линзу линейно-поляризованный свет преобразуется в сфокусированный азимутально-поляризованный оптический вихрь. С помощью сканирующего ближнепольного микроскопа (СБОМ) изучалась фокусировка света изготовленной металинзой. Экспериментально было показано, что металинза формирует фокусное пятно с размерами меньше дифракционного предела: 0,32 и 0,51 от длины волны фокусируемого света. Экспериментальные значения близки к результатам численного моделирования методом FDTD: 0,37 и 0,49 от длины волны фокусируемого света. На сегодняшний день это наименьшее фокусное пятно, сформированное металинзами. Другая изготовленная металинза формирует сходящийся векторный цилиндрический пучок m-го порядка при падении света линейной поляризации или фазовый вихрь с топологическим зарядом m при падении света с круговой поляризацией. В остром фокусе такого сходящегося светового поля на оптической оси имеет место обратный поток световой энергии, сравнимый с прямым потоком. При исследовании обратного потока энергии в остром фокусе металинз нами теоретически была рассмотрена острая фокусировка двух физически отличных пучков: оптического вихря с круговой поляризацией и топологическим зарядом m=2 и пучка с неоднородной поляризацией – цилиндрического векторного пучка второго порядка. Оба пучка показали наличие на оси отрицательных значений проекции вектора Пойнтинга на оптическую ось. В случае с фокусировкой оптического вихря с круговой поляризацией и топологическим зарядом m=2 потоки энергии в фокусе (прямой и обратный) закручены по спирали, в то время как для пучка с неоднородной поляризацией поперечные компоненты вектора Пойнтинга в фокусе отсутствуют. Теоретические расчеты были подтверждены результатами численного моделирования. В случае острой фокусировки цилиндрических векторных пучков высоких порядков (больше двух) в плоскости фокуса также имеет место обратный поток энергии но область отрицательных значений вектора Пойнтинга расположена вблизи оси и имеет форму трубки. Обратный поток энергии можно усилить, ограничив апланатический объектив кольцевой апертурой: при фокусировке света объективом с числовой апертурой 0,95 использование кольцевой апертуры, ограничивающей угол входного зрачка до 0,9 от максимального значения, позволяет увеличить глубину области отрицательных значений проекции вектора Пойнтинга на оптическую ось в 4 раза при практически неизменной ширине области. Были рассчитаны градиентная сила и сила рассеяния, действующие со стороны светового поля на диэлектрическую частицу, расположенную в фокусе цилиндрического векторного пучка второго порядка. Было показано, что для стеклянных частиц радиусом 10 нм, сила рассеяния превышает градиентную силу.

Публикации

1. Козлова Е.С. Моделирование генерации оптических вихрей с помощью спиральной зонной пластинки из серебра Компьютерная оптика, Т. 42, № 6. – С. 977-984 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.18287/2412-6179-2018-42-6-977-984

2. Котляр В.В., Ковалёв А.А., Абрамочкин Е.Г. Асимметричные лазерные гипергеометрические пучки Компьютерная оптика, Т. 43, № 5. – С. 735-740 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-5-735-740

3. Котляр В.В., Налимов А.Г., Стафеев С.С., О'Фаолейн Л. Subwavelength grating-based spiral metalens for tight focusing of laser light Applied Physics Letters, Vol. 114, P. 141107 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1063/1.5092760

4. Котляр В.В., Налимов А.Г., Стафеев С.С., О'Фаолейн Л. Single metalens for generating polarization and phase singularities leading to a reverse flow of energy Journal of Optics, Vol. 21, P. 055004 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/2040-8986/ab14c8

5. Котляр В.В., Налимов, А.Г., Стафеев С.С. Сравнение величин обратного потока энергии в остром фокусе светового поля с поляризационной и фазовой сингулярностями Компьютерная оптика, Т. 43, № 2. – С. 174-183 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-2-174-183

6. Котляр В.В., Стафеев С.С., Ковалев А.А. Reverse and toroidal flux of light fields with both phase and polarization higher-order singularities in the sharp focus area Optics Express, Vol. 27, P. 16689-16702 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1364/OE.27.016689

7. Котляр В.В., Стафеев С.С., Ковалёв А.А. Острая фокусировка светового поля с поляризационной и фазовой сингулярностью произвольного порядка Компьютерная оптика, Т. 43, № 3. – С. 337-346 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-3-337-346

8. Котляр В.В., Стафеев С.С., Налимов А.Г. Energy backflow in the focus of a light beam with phase or polarization singularity Physical Review A, Vol. 99, P. 33840 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.99.033840

9. Котляр В.В., Стафеев С.С., Налимов А.Г., Шульц С., О'Фаолейн Л. Two-petal laser beam near a binary spiral axicon with topological charge 2 Optics and Laser Technology, Vol. 119, P. 105649 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.105649

10. Стафеев С.С., Котляр В.В. Формирование продольно-удлинённой области обратного потока энергии с помощью кольцевых апертур Компьютерная оптика, Т. 43, № 2. – С. 193-199 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-2-193-199

11. Стафеев С.С., Котляр В.В. Elongation of the area of energy backflow through the use of ring apertures Optics Communications, Vol. 450, P. 67–71 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.optcom.2019.05.057

12. Стафеев С.С., Котляр В.В., Налимов А.Г., Козлова Е.С. The non-vortex inverse propagation of energy in a tightly focused high-order cylindrical vector beam IEEE Photonics Journal, Vol. 11, P. 4500810 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1109/JPHOT.2019.2921669

13. Котляр В.В., Стафеев С.С., Налимов А.Г. Sharp Focusing of Laser Light CRC Press, Boca Raton, Boca Raton: CRC Press. 322 p. (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1201/9780429346071

14. Козлова Е.С. Simulation of the Optical Vortices Generation by the Silver Spiral Zone Plates Journal of Physics: Conference Series, Vol.1135, P. 012059 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1135/1/012059

15. Стафеев С.С., Котляр В.В., Налимов А.Г., О'Фаолейн Л. Focusing of laser light by sectoral spiral metalens Proceedings SPIE, Vol. 11025, P. 110250Z (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1117/12.2520461

16. Стафеев С.С., Налимов А.Г., Котляр В.В. Longitudinal component of the Poynting vector of tightly focused cylindrical vector beam Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1135, P. 012064 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1135/1/012064

17. Стафеев С.С., Налимов А.Г., Котляр В.В. Metalens for polarization conversion and focusing of laser light Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1368, P. 022035 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1368/2/022035

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. Численно методом FDTD была промоделирована фокусировка цилиндрического векторного пучка второго порядка градиентной линзой Микаэляна с длиной 10 мкм, радиусом 9,43 мкм и показателем преломления на оси 3,47. Было показано, что линза формирует вблизи своей выходной поверхности область обратного потока энергии. В случае, если линзу снабдить сферическим углублением на оси (с диаметром 0,3 мкм), удаётся локализовать область прямого потока энергии внутри материала линзы, а область с преимущественно обратным потоком энергии вынести в свободное пространство. На основе таких линз представляется возможным создавать световые ловушки нового типа. 2. По технологии электронной литографии и ионного травления в тонкой плёнке аморфного кремния толщиной 130 нм изготовлена вихревая металинза диаметром 30 мкм с фокусным расстоянием, равным длине волны 633 нм, состоящая из 16 секторов субволновых бинарных решёток с периодом 220 нм. Уникальность такой металинзы в том, что при освещении её светом с левой круговой поляризацией формируется вихревой пучок с топологическим зарядом 2 и левой круговой поляризацией, а при освещении её светом с линейной поляризацией формируется векторный цилиндрический пучок второго порядка. Вблизи фокуса на оптической оси в обоих случаях (и для линейной, и для круговой поляризации) будет формироваться обратный поток энергии. Измеренные с помощью сканирующего ближнепольного оптического микроскопа распределения поперечной интенсивности вблизи фокуса металинзы качественно согласуются с распределениями интенсивности, рассчитанными FDTD-методом. Это подтверждает, что в фокусе такой металинзы имеет место обратный поток энергии. Металинза, формирующая обратный поток вблизи фокуса, изготовлена и исследована впервые. 3. C помощью формул Ричардса–Вольфа промоделирована фокусировка цилиндрических векторных пучков второго порядка. Было показано, что кольца, на которых вектор Пойнтинга равен нулю, возникают не только в плоскости острого фокуса, но и в плоскостях, удалённых от фокуса. В частности, при фокусировке света линзой с числовой апертурой NA = 0,95 на расстоянии примерно 0,45 мкм от оси периодически возникают тороидальные вихри (с периодом по оси z – 0,8 мкм). Вихри возникают попарно: ближайший к фокальной плоскости вихрь закручен по часовой стрелке, а следующий от него – против часовой стрелки. Вихри сопровождаются седловыми точками. При фокусировке пучка, ограниченного узкой кольцевой апертурой, тороидальных вихрей не наблюдается.

Публикации

1. Котляр В.В., Ковалев А.А. Topological charge of asymmetric optical vortices Optics Express, Vol. 28, No. 14, P. 20449-20460 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1364/OE.394273

2. Котляр В.В., Ковалев А.А., Налимов А.Г., Порфирьев А.П. Evolution of an optical vortex with an initial fractional topological charge Physical Review A, Vol. 102, P. 023516 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.102.023516

3. Котляр В.В., Налимов А.Г., Ковалев А.А., Порфирьев А.П., Стафеев С.С. Передача спинового углового момента диэлектрической микрочастице Компьютерная оптика, Т. 44, № 3. – С. 333-342 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-686

4. Котляр В.В., Налимов А.Г., Ковалев А.А., Порфирьев А.П., Стафеев С.С. Spin-orbit and orbit-spin conversion in the sharp focus of laser light: Theory and experiment Physical Review A, Vol. 102, P. 033502 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.102.033502

5. Котляр В.В., Налимов А.Г., Стафеев С.С. Inversion of the axial projection of the spin angular momentum in the region of the backward energy flow in sharp focus Optics Express, Vol. 28, No. 23, P. 33830-33840 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1364/OE.401182

6. Котляр В.В., Налимов А.Г., Стафеев С.С., Ковалев А.А., Порфирьев А.П. Orbital Energy and Spin Flows in a Strong Focus of Laser Light IEEE Photonics Journal, Vol. 12, no. 5, Art no. 4501713 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1109/JPHOT.2020.3028883

7. Котляр В.В., Стафеев С.С., Налимов А.Г., Ковалев А.А., Порфирьев А.П. Mechanism of formation of an inverse energy flow in a sharp focus Physical Review A, Vol. 101, P. 033811 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.101.033811

8. Котляр В.В., Стафеев С.С., О’Фаолейн Л., Котляр М.В. Высокоапертурная металинза для формирования обратного потока энергии Компьютерная оптика, Т. 44, № 5. – С. 691-698 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-742

9. Налимов А.Г., Котляр В.В. Rotation of an ellipsoidal dielectric particle in the focus of a circularly polarized gaussian beam Optik - International Journal for Light and Electron Optics, Vol. 222, P. 165479 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165479

10. Налимов А.Г., Стафеев С.С. Вращение эллипсоидальной диэлектрической частицы в фокусе Гауссова пучка с круговой поляризацией Компьютерная оптика, Т. 44, № 4. – С. 561-567 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-693

11. Налимов А.Г., Стафеев С.С., Котляр В.В. Optical force acting on a particle in areverse energy flow near the focus of agradient lens Journal of Optics, Vol. 22, P. 115001 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1088/2040-8986/abb58f

12. Стафеев С.С., Козлова Е.С., Налимов А.Г. Фокусировка цилиндрического векторного пучка второго порядка градиентной линзой Микаэляна Компьютерная оптика, том 44, №1, с. 29-33 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-633

13. Стафеев С.С., Козлова Е.С., Налимов А.Г., Котляр В.В. Tight focusing of a cylindrical vector beam by a hyperbolic secant gradient index lens Optics Letters, Vol. 45, No. 7, P. 1687-1690 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1364/OL.389803

14. Стафеев С.С., Котляр В.В. Invariance of the transverse spin angular momentum at the focus Optics Communications, Vol. 479, P.126453 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.optcom.2020.126453

15. Стафеев С.С., Котляр В.В. Тороидальные поляризационные вихри при острой фокусировке пучков с сингулярностью Компьютерная оптика, Т. 44, № 5. – С. 685-690 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-734

16. Стафеев С.С., Налимов А.Г., Котляр В.В. Strong negative longitudinal component of the Poynting vector in a tightly focused cylindrical vector beam Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1461, P. 012169 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1461/1/012169

17. Зайцев В.Д., Стафеев С.С. Comparison of Photonic Nanojets Produced by Dielectric Prism and Cylinder 22nd International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), pp. 1-4, doi: 10.1109/ICTON51198.2020.9203008 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1109/ICTON51198.2020.9203008

18. Ковалев А.А., Котляр В.В., Порфирьев А.П., Калинкина Д.С. Measuring the orbital angular momentum of light beams by using a single intensity distribution Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1400, P. 066025 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1400/6/066025

19. Козлова Е.С., Стафеев С.С., Фомченков С.А., Подлипнов В.В., Котляр В.В. Laser Light Focusing by Aluminium Zone Plate 22nd International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), pp. 1-4, doi: 10.1109/ICTON51198.2020.9203020 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1109/ICTON51198.2020.9203020

20. Котляр В.В., Ковалев А.А., Калинкина Д.C. Topological Charge and Other Invariants of Gaussian Vortex Light Fields and Their Superpositions 2020 International Conference on Information Technology and Nanotechnology (ITNT), 2020 International Conference on Information Technology and Nanotechnology (ITNT) (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1109/ITNT49337.2020.9253248

21. Налимов А.Г., Котляр В.В., Стафеев С.С. Optimizing of Poynting vector and light intensity after secant gradient lens 2020 International Conference on Information Technology and Nanotechnology (ITNT), 2020 International Conference on Information Technology and Nanotechnology (ITNT) (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1109/ITNT49337.2020.9253174

22. Стафеев С.С., Козлова Е.С., Налимов А.Г., Котляр В.В. Poynting Vector Behavior of Cylindrical Vector Beam Focused by Gradient Index Lens 22nd International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1109/ICTON51198.2020.9203418

23. Стафеев С.С., Налимов А.Г., О'Фаолейн Л., Котляр В.В. Sector Metalens for Sharp Focusing of Laser Light 2019 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium - Spring (PIERS-Spring), pp. 4248-4251 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1109/PIERS-Spring46901.2019.9017625

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта по острой фокусировке лазерного совета с преодолением дифракционного предела найдут применение в задачах увеличения разрешающей способности сканирующих конфокальных микроскопов, для уплотнения записи информации на оптический диск, в задачах оптического захвата, вращения и перемещения микрообъектов, в том числе микробиологических. Изученный в проекте эффект обратного потока энергии в остросфокусированных пучках можно использовать в задачах перемещения микрочастиц по направлению к источнику света.