Сравнение величин обратного потока энергии в остром фокусе светового поля с поляризационной и фазовой сингулярностями

Abstract

С помощью матриц и векторов Джонса показано, что оптический элемент с метаповерхностью, анизотропное пропускание которого описывается матрицей поворота поляризации на угол mφ, φ – полярный угол, при освещении светом с линейной поляризацией формирует азимутальную или радиальную поляризацию порядка m. При освещении светом с круговой поляризацией такой элемент формирует оптический вихрь с топологическим зарядом m. Этот поляризационно-фазовый конвертор (ПФК) выполняет спин-орбитальное преобразование, аналогичное тому, которое выполняют жидкокристаллические q-пластинки. Численно FDTD-методом показано, что при освещении ПФК с m = 2 светом с линейной или круговой поляризацией и последующей острой фокусировкой с помощью бинарной зонной пластинки вблизи фокуса на оптической оси формируется обратный поток световой энергии, сравнимый по величине с прямым потоком. Причем обратный поток при фокусировке оптического вихря с топологическим зарядом 2 и с круговой поляризацией равен обратному потоку при фокусировке света с поляризационной сингулярностью 2-го порядка.

Using Jones matrices and vectors, we show that an optical metasurface composed of a set of subwavelength binary diffraction gratings and characterized by an anisotropic transmittance described by a polarization rotation matrix by the angle mφ, where φ is the polar angle, forms an m-th order azimuthally or radially polarized beam when illuminated by linearly polarized light, generating an optical vortex with the topological charge m upon illumination by circularly polarized light. Such a polarization-phase converter (PPC) performs a spin-orbit transformation, similar to that performed by liquid-crystal q-plates. Using a FDTD method, it is numerically shown that when illuminating the PPC by a uniformly (linearly or circularly) polarized field with topological charge m = 2 and then focusing the output beam with a binary zone plate, a reverse on-axis light flow is formed, being comparable in magnitude with the direct optical flow. Moreover, the reverse flows obtained when focusing the circularly polarized optical vortex with the topological charge m = 2 and the second-order polarization vortex are shown to be the same in magnitude.