Рис. 1. Численное исследование векторного спин-орбитального эффекта Холла света при жесткой фокусировке: (а) область пространственных частот в декартовых координатах, (b)-(d) внутриосевое и внеосевое распространение циркулярно поляризованного первого порядка (+1) оптический вихревой луч. Показаны нарушения симметрии в продольной составляющей и внешнем ОУМ.
Фото: Оптоэлектронная наука (2023). DOI: 10.29026/oes.2023.230014

Футболист может пнуть статический мяч на бок, заставляя мяч вращаться и двигаться по дуговой траектории, изогнутой влево или вправо, в зависимости от направления вращения мяча. Это требует навыков/опыта. А если мяч не статичен, а приближается к уже вращающемуся игроку — управление мячом требует знаний о том, как манипулировать им/пинать его в зависимости от его характеристик и намеченной траектории.

Похожий эффект существует в оптике, а именно спиновый эффект Холла света (SHEL). Здесь оптический луч/шар фокусируется/"отбрасывается" линзой/игроком в сторону/изначально смещается от оптической оси. В результате луч фокусируется не в центре фокальной плоскости , а с некоторым отклонением от нее, в зависимости от спина света (его вращения электрического поля по или против часовой стрелки) и завихренности (его фазового вращения). Связывание свойств луча в фокальной плоскости/футбольных воротах с вращением и завихренностью луча позволит освоить попадание луча/мяча в цель.

Авторы статьи, опубликованной в журнале Opto-Electronic Science, представляют векторный анализ спин-орбитального эффекта Холла света при жесткой фокусировке в свободном пространстве. Это один из наиболее заметных эффектов, связанных с нарушением симметрии, в данном случае (фокусировкой) с использованием асимметричного падающего светового луча.

Эффект проявляется в смещении сфокусированного пучка в поперечной фокальной плоскости в зависимости от направления вращения и орбитального момента ОУМ, а также величины ОУМ и является следствием требования сохранения углового момента (УМ). Пример этого эффекта показан на рисунке 1.

Физически асимметричный входной луч имеет внешний ОУМ L ext ∝(r×p), где r — радиус, а p — линейный импульс. Например, где E i — составляющая электрического поля. Таким образом, сохранение этого импульса в фокусе приводит к необходимости внеосевого смещения компонент электрического поля.

Аналогичные аргументы можно привести и в отношении САМ: асимметричный входной луч после линзы имеет как поперечную, так и продольную составляющие САМ, выраженные через произведение компонент электрического поля E i *E j , а это также требует соответствующих сдвигов в распределении электрического поля в фокальная плоскость. Таким образом, свет должен «самоорганизоваться» или реструктурироваться в фокусе, чтобы удовлетворить закону сохранения углового момента.

Вышеприведенные рассуждения указывают на важность знания распределения различных компонент сфокусированного асимметричного входного пучка, обладающего спином и/или завихренностью. Ранее изучались только сдвиги продольной/z-компоненты поля или его полной интенсивности, и это изучалось в цилиндрических координатах.

Поскольку для несимметричного входного пучка азимутальная симметрия системы нарушается, имеет смысл использовать декартовы координаты, что и является достижением данного исследования. В настоящей работе как аналитически, так и путем численного моделирования показано, как различные компоненты электрического поля смещаются при жесткой фокусировке асимметричного светового луча в зависимости от ОУМ и спина.

Основной результат представленного аналитического и численного моделирования состоит в том, что при фокусировке асимметричного пучка , обладающего угловым моментом, все три декартовых компонента электрического поля в фокальной плоскости смещаются и/или перераспределяются. Показана связь между сдвигами компонентов поля и сдвигами/перераспределением компонентов АМ. Это перераспределение спина и орбитального момента количества движения проявляется в спин-орбитальных и орбитально-орбитальных преобразованиях и реорганизациях, т. е. спин-орбитальном и орбитально-орбитальном взаимодействии.

Рис. 2. Лазерное формирование рисунка тонкой пленки азополимера y-линейно поляризованными осевыми и внеосевыми ОВ-пучками ±1 порядка. В правой части рисунка показаны экспериментально полученное распределение интенсивности, численно рассчитанное распределение и АСМ-изображения микрорельефа, изготовленного в тонкой пленке азополимера.
Фото: Оптоэлектронная наука (2023). DOI: 10.29026/oes.2023.230014

Кроме того, представлено также возникновение орбитально-спиновой конверсии, когда ОАМ либо напрямую трансформируется в САМ, либо действует как катализатор перераспределения САМ. Кроме того, впервые экспериментально продемонстрирован спин-орбитальный эффект Холла света при жесткой фокусировке в свободном пространстве. Это достигается использованием азополимеров в качестве среды, детектирующей продольную или z- компоненту электрического поля света. На рис. 2 представлен один из результатов эксперимента. Эти открытия объясняют эффект Холла света и могут расширить спектр его применения.