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

2021 г. - 2022 г.

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (28).

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
В данной работе планируется исследование обнаруженного ранее в проекте 2018 года эффекта обратного потока энергии. Суть его заключается в том, что в остросфокусированных пучках с поляризационными или фазовыми сингулярностями возможно появление областей, в которых направление вектора Пойнтинга противоположно направлению распространения пучка. Более того в некоторых случаях можно наблюдать обратный поток энергии сопоставимый по абсолютной величине с прямым потоком энергии. Подобный эффект может быть использован для создания световых ловушек принципиально нового типа. В проекте предлагается дальнейшее изучение найденного эффекта, в частности, будет исследован широкий класс гибридных пучков, которые также являются потенциальными кандидатами для создания областей обратных потоков энергии. Поведение областей обратного потока будет исследовано как в дальней зоне (теоретически и численно с помощью формул Ричардса-Вольфа), так и вблизи раздела двух сред (такое исследование возможно только в векторном приближении с использованием строгих методов: FDTD и FEM). Механизм образования отрицательных проекций вектора Пойтнинга на оптическую ось будет исследован детально, в частности, будет исследовано поведение отдельных составляющих потока энергии: спинового потока и орбитального потока энергии. Для получения гибридных векторных пучков будут использованы металинзы - сверхтонкие оптические элементы, позволяющие управлять единовременно всеми характеристиками падающего на них света: амплитудой, фазой и поляризацией. В нашей работе предполагается использование металинз, основанных на субволновых решетках - решетках с периодом много меньше длины волны проходящего через них света. Такие субволновые решетки анизотропны: ТЕ- и ТМ- поляризованные волны, проходящие через них, будут приобретать разный набег фазы. Как следствие, возможно создание аналогов классических волновых пластинок. Однако в отличие от классических волновых пластинок рельеф решетки позволяет управлять направлением поляризации локально, давая возможность получить в поперечном сечении светового пучка произвольное направление поляризации и фазы, изменяющееся от точки к точке. В данном проекте будет создана, численно с помощью метода FDTD и экспериментально с помощью сканирующего ближнепольного оптического микроскопа исследована металинза, предназначенная для получения гибридных векторных пучков дробных порядков. Металинза будет создана в тонкой пленке аморфного кремния средствами электроннолучевой литографии и плазмохимического травления.

Ожидаемые результаты
Ожидается получение следующих результатов, обладающих научной новизной: 1. Теоретически с помощью формул Ричардса-Вольфа и численно с помощью метода FDTD будет исследована фокусировка цилиндрических векторных пучков дробных порядков в свободном пространстве. Будет изучено поведение компонент вектора Пойнтинга, интенсивности, спинового углового момента и параметров Стокса. Будут созданы спиральные зонные пластинки, формирующие сходящиеся оптические вихри дробных порядков; фокусировка ими будет исследоваться численно и экспериментально. 2. Будет рассчитан и экспериментально исследован элемент с метаповерхностью на основе субволновых решеток, объединяющий в себе зонную пластинку Френеля и поляризатор, предназначенный для получения цилиндрических векторных пучков дробных порядков. Численно будет промоделирована его работа и найдены параметры формируемого фокусного пятна. Изготовлена металинза будет в тонкой пленке аморфного кремния с помощью электроннолучевой литографии и плазмохимического травления, а экспериментальные исследования будут осуществляться средствами сканирующей ближнепольной оптической микроскопии. 3. Методом электронной литографии и плазмохимического травления будут изготовлены субволновые решетки, работающие как поляризаторы и волновые пластинки для ближнего ИК-диапазона. Позднее данные решетки могут найти свое применение для получения поляризационных изображений. 4. Методами FDTD и FEM будет расчитано поведение обратного потока энергии в случае фокусировки объектами микрооптики: микрокубиками и микропризмами, а также фотонно-кристаллического аналога градиентной линзы Микаэляна. Данные элементы могут послужить основой для проектирования световых ловушек принципиально нового типа. 5. Теоретически и численно с помощью метода FDTD будет исследовано поведения отдельных составляющих потока энергии: потока спина и орбитального потока энергии при острой фокусировке пучков с поляризационной и фазовой сингулярностями. Будет показано, что области обратного потока соответствуют тем областям светового поля, в которых поток спина отрицателен, а абсолютное значение орбитального потока энергии меньше, чем абсолютное значение потока спина.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В данном проекте исследуются пучки с неоднородной поляризацией и фазой - оптические вихри, цилиндрические векторные пучки, гибридные векторные пучки. С помощью моделирования острой фокусировки векторных пучков с азимутальной поляризацией дробного порядка показано, что форма распределения интенсивности в фокусном пятне меняется от эллиптической к круглой и заканчивается кольцевой. А форма распределения продольной компоненты вектора Пойнтинга (потока энергии) в фокусном пятне меняется по-другому: от круглой к эллиптической и заканчивается кольцевой. Поэтому ответы на вопросы: «когда фокусное пятно круглое, а когда эллиптическое» или «когда фокусное пятно минимальное: при азимутальной поляризации с вихрем или при линейной поляризации без вихря» – зависят от того, рассматриваем ли мы интенсивность в фокусе или поток энергии. В 2021 году было продолжено изучение эффекта обратного потока в остром фокусе. Было теоретически показано, что обратный поток энергии (отрицательная проекция на оптическую ось вектора Пойнтинга) в остром фокусе оптического вихря с топологическим зарядом 2 и левой круговой поляризацией возникает потому, что осевой поток спина имеет отрицательную проекцию на оптическую ось и больше по величине, чем положительная проекция на оптическую ось орбитального потока энергии (канонического потока энергии). Также с помощью формул Ричардса–Вольфа показано, что в области обратного потока энергии на оптической оси имеет место правая круговая поляризация света, хотя фокусируется свет с левой круговой поляризацией. Для экспериментального получения изучаемых пучков предлагается использовать метаповерхности - сверхтонкие оптические элементы, позволяющие одновременно управлять амплитудой, фазой и поляризацией света. В наших исследованиях метаповерхности были основаны на субволновых решетках. В частности, нами был рассчитан элемент с метаповерхностью, объединяющий в себе зонную пластинку Френеля и поляризатор, предназначенный для получения цилиндрических векторных пучков дробных порядков. Данная металинза сочетала в себе поляризатор, основанный на субволновых решетках, и зонную пластинку Френеля с фокусным расстоянием 0,633 мкм. Она преобразовывала линейно поляризованную плоскую волну в цилиндрический векторный пучок с порядком 0,5 и фокусировала его. Металинза состояла из 16 секторов, каждый из которых поворачивал плоскость поляризации проходящего излучения на заданный угол. Работа металинзы моделировалась с помощью метода FDTD, реализованного в программе FullWave. Численно было продемонстрировано совпадение результатов, полученных методом FDTD, с результатами, полученными по формулам Ричардса-Вольфа.

Публикации

1. Ковалев А.А., Котляр В.В. Orbital angular momentum of generalized cosine Gaussian beams with an infinite number of screw dislocations Optik, Vol. 242, P. 166863 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.166863

2. Ковалев А.А., Котляр В.В., Налимов А.Г. Topological charge and asymptotic phase invariants of vortex laser beams Photonics, Vol.8, No.10, P. 445 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/photonics8100445

3. Козлова Е.С., Стафеев С.С., Фомченков С.А., Подлипнов В.В., Котляр В.В. Поперечная интенсивность в остром фокусе цилиндрического векторного пучка второго порядка Компьютерная оптика, Т. 45, № 2. – С. 165-171 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-835

4. Котляр В.В., Ковалев А.А. Optical vortex beams with a symmetric and almost symmetric OAM spectrum Journal of the Optical Society of America A, Vol. 38(9), P. 1276-1283 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1364/JOSAA.432623

5. Котляр В.В., Ковалев А.А., Амири П., Солтани П., Расоули С. Topological charge of two parallel Laguerre-Gaussian beams Optics Express, V. 29 (26), P. 42962-42977 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1364/OE.446743

6. Котляр В.В., Ковалев А.А., Калинкина Д.С. Fractional-order-Bessel Fourier-invariant optical vortices Optics Communications, Vol. 492, P. 126974 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.optcom.2021.126974

7. Котляр В.В., Ковалев А.А., Налимов А.Г. Converting an nth-order edge dislocation to a set of optical vortices Optik, Vol. 243, P. 167453 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.167453

8. Котляр В.В., Ковалев А.А., Налимов А.Г. Conservation of the half-integer topological charge on propagation of a superposition of two Bessel-Gaussian beams Physical Review A, Vol. 104, P. 033507 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.104.033507

9. Котляр В.В., Ковалев А.А., Стафеев С.С., Налимов А.Г., Расоули С. Tightly focusing vector beams containing V-point polarization singularities Optics & Laser Technology, V. 145, P. 107479 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107479

10. Котляр В.В., Налимов А.Г., Стафеев С.С. Focusing a Vortex Laser Beam with Polarization Conversion Photonics, V.8(11), P. 480 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/photonics8110480

11. Котляр В.В., Налимов А.Г., Стафеев С.С., Ковалев А.А. Острая фокусировка пучков с V-точками поляризационной сингулярности Компьютерная оптика, Т. 45, № 5. – С. 643-653 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-884

12. Котляр В.В., Стафеев С.С. Orbital and spin energy flows in tight focus Optik, V. 245, P. 167703 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.167703

13. Котляр В.В., Стафеев С.С. Поперечный поток энергии в остром фокусе света с циркулярно-азимутальной поляризацией высокого порядка Компьютерная оптика, Т. 45, № 3. – С. 311-318 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-839

14. Котляр В.В., Стафеев С.С., Зайцев В.Д. Minimal focal spot size measured by intensity and power flow Sensors, V.21, P. 5505. (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/s21165505

15. Котляр В.В., Стафеев С.С., Козлова Е.С., Налимов А.Г. Spin-Orbital Conversion of a Strongly Focused LightWave with High-Order Cylindrical–Circular Polarization Sensors, v.21, p. 6424 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/s21196424

16. Котляр В.В., Стафеев С.С., Налимов А.Г. Sharp focusing of a hybrid vector beam with a polarization singularity Photonics, V. 8(6), P. 227 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/photonics8060227

17. Котляр В.В., Стафеев С.С., Налимов А.Г., О'Фаолейн Л., Котляр М.В. A dual-functionality metalens to shape a circularly polarized optical vortex or a second-order cylindrical vector beam Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications, Vol. 43, P. 100898 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.photonics.2021.100898

18. Налимов А.Г., Стафеев С.С. Преобразование линейной поляризации в круговую при острой фокусировке оптического вихря Компьютерная оптика, Т. 45, № 1. - С. 13-18 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-778

19. Савельева А.А., Козлова Е.С. Numerical Modeling of Radiation Focusing by Dielectric Microcylinders with Several Layers Journal of Biomedical Photonics & Engineering, v. 7, n. 3, p. 030304 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.18287/JBPE21.07.030304

20. Стафеев С.С. Орбитальный поток энергии и поток спина в остром фокусе Компьютерная оптика, Т. 45, № 4. - С. 520-524 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-867

21. Стафеев С.С., Зайцев В.Д. Минимальное субволновое фокусное пятно по потоку энергии Компьютерная оптика, Т. 45, No 5. – С. 685-691 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-908

22. Стафеев С.С., Зайцев В.Д. Фокусировка цилиндрических векторных пучков дробных порядков Компьютерная оптика, Т.45, №2. - С. 172-178 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-805

23. Стафеев С.С., Козлова Е.С., Котляр В.В. Toroidal Vortices of Energy in Tightly Focused Second-Order Cylindrical Vector Beams Photonics, V. 8, P. 301 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/photonics8080301

24. Стафеев С.С., Налимов А.Г., Зайцев В.Д., Котляр В.В. Tight focusing cylindrical vector beams with fractional order Journal of the Optical Society of America B, Vol. 38(4), P. 1090-1096 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1364/JOSAB.413581

25. Котляр В.В., Стафеев С.С., Налимов А.Г. Обратный поток световой энергии в фокусе Физматлит, Москва, М.: Физматлит. - 216 с. (год публикации - 2021)

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В 2022 году было продолжено исследование векторных эффектов, наблюдающихся при фокусировке света с неоднородной поляризацией и фазой линзами (в том числе металинзами) с высокой числовой апертурой. В работе численно была исследована острая фокусировка света с линейной поляризацией. С помощью формализма Ричардса–Вольфа показано, что до и после плоскости фокуса имеются области, в которых поляризация круговая (эллиптическая). При переходе через плоскость фокуса направление вращения вектора поляризации в этих областях меняется на противоположное. Если до фокуса в некоторой области была левая круговая поляризация, то в самом фокусе в этой области будет линейная поляризация, а после фокуса в аналогичной области будет правая круговая поляризация. Теоретически и численно рассмотрена острая фокусировка лазерного пучка, у которого распределение поляризации в начальной плоскости представляет собой суперпозицию цилиндрического векторного пучка порядка m и однородной линейной поляризации. Хотя в начальной плоскости у такого пучка нет спинового углового момента и третья проекция вектора Стокса равна нулю, в плоскости фокуса формируются субволновые локальные области, в которых при нечетном номере m имеет место поперечный вихревой поток энергии и третья проекция Стокса (продольная компонента углового спинового момента) отлична от нуля. То есть в фокусе у такого пучка при нечетном m будут области с эллиптической или круговой поляризацией с чередующимися направлениями вращения (по часовой и против часовой стрелки). При четном m в фокусе поле имеет линейную поляризацию в каждой точке и не имеет поперечного потока энергии. Было разработано несколько металинз, демонстрирующих новые оптические эффекты. В частности, была рассмотрена комбинированная высокоапертурная металинза в тонкой пленке нитрида кремния диаметром 14 мкм, состоящая из двух наклонных секторных металинз, каждая из которых состоит из набора бинарных субволновых решеток. Моделирование методом конечных разностей во временной области показало, что металинза может одновременно детектировать оптические вихри с двумя топологическими зарядами -1 и -2 почти во всем видимом диапазоне длин волн. Металинза может селектировать несколько длин волн, которые фокусируются в разных точках фокальной плоскости: изменение длины волны на 1нм приводит к смещению фокусного пятна примерно на 4 нм. При освещении металинзы гауссовым пучком с левой круговой поляризацией одновременно формируются два оптических вихря с топологическими зарядами 1 и 2 на расстоянии 6 мкм между собой при фокусном расстоянии линзы 6 мкм. Кроме того, был рассмотрен оптический микросенсор состояния поляризации лазерного света, основанный на металинзе. В отличие от известных датчиков поляризации, основанных на метаповерхностях, которые разный тип поляризации отклоняют под разными углами к оптической оси, рассмотренный датчик поляризации формирует разные картины в фокусе металинзы для разных состояний поляризации: левая круговая поляризация в фокусе формирует световое кольцо, правая круговая поляризация – круглое фокусное пятно, а линейная поляризация – эллиптическое пятно с двумя боковыми лепестками. Причем угол наклона линейной поляризации соответствует углу наклона эллиптического фокусного пятна. Моделирование согласуется с теоретическими предсказаниями. Металинза диаметром в несколько десятков микрон спроектирована и создана в тонкой пленке аморфного кремния толщиной 120 нм с низким аспектным отношением, высокой числовой апертурой и коротким фокусным расстоянием, равным длине волны 633 нм.

Публикации

1. Зайцев В.Д., Стафеев С.С., Котляр В.В. Формирование обратного потока энергии путем фокусировки света стеклянными микрообъектами Российские нанотехнологии, - (год публикации - 2022)

2. Козлова Е.С., Стафеев С.С., Фомченков С.А., Подлипнов В.В., Савельева А.А., Котляр В.В. Measuring of Transverse Energy Flows in a Focus of an Aluminum Lens Photonics, Vol. 9, P. 592 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/photonics9080592

3. Котляр В.В., Ковалев А.А. Orbital angular momentum of paraxial propagation-invariant laser beams Journal of the Optical Society of America A, Vol. 39, No. 6, P. 1061-1065 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1364/JOSAA.457660

4. Котляр В.В., Ковалёв А.А., Савельева А.А. Когерентная суперпозиция пучков Лагерра–Гаусса с разными длинами волн: цветные оптические вихри Компьютерная оптика, Т. 46, № 5, С. 692-700 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-1106

5. Котляр В.В., Налимов А.Г., Ковалев А.А., Стафеев С.С. Optical Polarization Sensor Based on a Metalens Sensors, Vol. 22, P. 7870 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/s22207870

6. Котляр В.В., Стафеев С.С., Зайцев В.Д., Козлова Е.С. Spin-Orbital Conversion with the Tight Focus of an Axial Superposition of a High-Order Cylindrical Vector Beam and a Beam with Linear Polarization Micromachines, Vol. 13, P. 1112 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/mi13071112

7. Налимов А.Г., Котляр В.В. Ultra-Thin, Short-Focus, and High-Aperture Metalens for Generating and Detecting Laser Optical Vortices Nanomaterials, Vol.12, P. 2602 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/nano12152602

8. Налимов А.Г., Котляр В.В. Influence of optical "dipoles" on the topological charge of a field with a fractional initial charge Journal of the Optical Society of America A, Vol.39, P.812-819 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1364/JOSAA.455744

9. Налимов, В.В. Котляр Топологический заряд в дальней зоне оптических вихрей с дробным начальным зарядом: оптические «диполи» Компьютерная оптика, Т. 46, № 2, С. 189-195. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-1073

10. Савельева А.А., Козлова Е.С. Сравнение формы фокусных пятен по интенсивности и потоку энергии для высокоапертурных зонной пластинки и спиральной зонной пластинки Компьютерная оптика, Т. 46, № 4, С. 531-536. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-934

11. Стафеев С.С., Зайцев В.Д., Котляр В.В. Круговая поляризация до и после острого фокуса для света с линейной поляризацией Компьютерная оптика, Т. 46, № 3, С. 381-387 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-1070

12. Стафеев С.С., Налимов А.Г., Ковалев А.А., Зайцев В.Д., Котляр В.В. Circular Polarization near the Tight Focus of Linearly Polarized Light Photonics, Vol. 9, P. 196. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/photonics9030196

13. Котляр В.В., Ковалев А.А., Налимов А.Г. Topological Charge of Optical Vortices CRC Press, Boca Raton, Boca Raton: CRC Press, 320 p. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1201/9781003326304

14. Зайцев В.Д., Стафеев С.С., Котляр В.В. Tight Focusing of Beams with High-order Cylindrical-circular Polarization 2021 Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS), pp. 1091-1093, doi: 10.1109/PIERS53385.2021.9694937 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/PIERS53385.2021.9694937

15. Козлова Е.С., Котляр В.В., Савельева А.А. Investigation of Plasmonic Lens with Annular Structure for Laser Light Focusing 2021 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium (PIERS), Hangzhou, China, 22 November, pp. 1094-1100, doi: 10.1109/PIERS53385.2021.9694753. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/PIERS53385.2021.9694753

16. Козлова Е.С., Стафеев С.С., Котляр В.В. Investigation of the influence of an aluminum cantilever on the polarization of a light field 2022 8th International Conference on Information Technology and Nanotechnology, ITNT 2022, pp. 1-4, doi: 10.1109/ITNT55410.2022.9848672. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/ITNT55410.2022.9848672

17. Котляр В.В., Стафеев С.С., Зайцев В.Д. Spin-orbital Conversion in Focused Vector Beams of Fractional Orders 2021 Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS), pp. 1086-1090, doi: 10.1109/PIERS53385.2021.9694915 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/PIERS53385.2021.9694915

18. Савельева А.А., Козлова Е.С., Котляр В.В. Analysis of the Fields Formed by the High-aperture Zone Plate and the Spiral Zone Plate 2021 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium (PIERS), Hangzhou, China, 22 November, pp. 1101-1107, doi: 10.1109/PIERS53385.2021.9694958 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/PIERS53385.2021.9694958

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.