name: Острая фокусировка лазерных пучков с фазовой и поляризационной сингулярностью
keyword_list: острая фокусировка неоднородная поляризация оптический вихрь метаповерхность формула Ричардса-Вольфа сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия
abstract: Цель работы рассчитать и сформировать, в том числе с помощью метаповерхностей, в остром фокусе лазерного излучения с фазовыми и поляризационными сингулярностями потоки энергии и спиновый угловой момент, которые демонстрируют новые оптические эффекты. 
  В работе был развит формализм Ричардса–Вольфа, который предназначен для описания всех проекций электромагнитного поля в фокусе для широкого класса лазерных пучков с фазовой и поляризационными сингулярностями. На основе развитого формализма теоретически предсказаны новые эффекты в остром фокусе лазерного пучка: обратный поток энергии, преобразование поляризации и т.д. Результаты, полученные в рамках диссертационного исследования, могут найти практическое применение для формирования субволновых пятен заданной формы в микроскопии, в задачах оптической манипуляции частицами (например, можно вращать несколько частиц в разные стороны за счет углового орбитального или углового спинового момента). Разработанные в диссертации металинзы размером сотни микрометров могут быть применены для уменьшения габаритов оптических схем – когда целая оптическая схема заменяется одной металинзой, которая может одновременно изменять поляризацию, амплитуду и фазу проходящего через нее лазерного пучка. 
  В работе были получены следующие основные результаты:
  1) Теоретически и численно показано, что проекция вектора Умова–Пойнтинга на оптическую ось вблизи острого фокуса может быть отрицательная. В частности, показано, что при острой фокусировке апланатической системой (идеальной сферической линзой) с произвольной функцией аподизации лазерного пучка с неоднородной поляризацией (радиальной или азимутальной) m-го порядка в плоскости фокуса имеет место обратный поток световой энергии: при m = 2 обратный поток максимален на оптической оси, а при m > 2 обратный поток на оптической оси равен нулю и максимален вблизи оптической оси. 
  2) Теоретически и численно было продемонстрировано, что при острой фокусировке произвольного оптического вихря с топологическим зарядом n > 0 (n < 0) и левой (правой) круговой поляризацией в плоскости фокуса вблизи оптической оси имеет место обратный поток световой энергии (n > 2) и только при n = 2 обратный поток формируется на оптической оси. Величина обратного потока сравнима с прямым потоком энергии. На примере фокусировки оптических вихрей с круговой поляризацией было показано, что обратный поток энергии в остром фокусе возникает потому, что осевой спиновый поток энергии имеет отрицательную проекцию на оптическую ось и больше по величине, чем положительная проекция на оптическую ось орбитального потока энергии (канонического потока энергии). 
  3) Были рассчитаны, изготовлены и экспериментально исследованы четырех-секторные бинарные субволновые отражающие (в тонкой пленке золота) и пропускающие (в тонкой пленке аморфного кремния) микрополяризаторы, предназначенные для преобразования линейной поляризации в цилиндрические векторные пучки (радиальные и азимутальные) для разных длин волн видимого спектра (аналог секторных полуволновых пластинок). С помощью бинарной микролинзы (зонной пластинки) диаметром 30 мкм в резисте (числовая апертура 0,997) лазерный пучок с длиной волны 633 нм с радиальной поляризацией, сформированной при отражении линейно-поляризованного гауссова пучка от четырёх-секторного субволнового бинарного дифракционного оптического микрополяризатора (размером 100×100 мкм в плёнке золота толщиной 100 нм), был сфокусирован вблизи поверхности микролинзы в почти круглое субволновое фокусное пятно с размерами по полуспаду интенсивности 0,37±0,02 и 0,39±0,02 от длины волны. 
  4) По технологии электронной литографии и ионного травления в тонких плёнках аморфного кремния изготовлены и экспериментально исследованы высокоапертурные металинзы, состоящие из субволновых решеток и предназначенные для преобразования линейной поляризации в цилиндрические векторные пучки первого и второго порядков. В частности, в пленке 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. Другая бинарная секторная металинза с числовой апертурой близкой к 1, также изготовленная в пленке аморфного кремния толщиной около 130 нм, была предназначена для преобразования поляризации линейной поляризации в радиальную и острой фокусировки лазерного света с длиной волны 633 нм. 
  5) С помощью моделирования было показано, что при острой фокусировке векторных цилиндрических пучков дробного порядка в плоскости фокуса формируются локальные области, в которых вращается поперечный поток энергии и поляризация круговая (эллиптическая). Такие области формируются парами с взаимно противоположенным направлением вращения энергии. В областях в фокусе, где вращается энергия, в каждой точке вектор поляризации также вращается в том же направлении. Такое пространственное разделение в фокусе левой и правой круговой поляризации является новой разновидностью оптического эффекта Холла. 
  6) С помощью формализма Ричардса–Вольфа теоретически и численно было показано, что при фокусировке света с линейной поляризацией в поперечных плоскостях до и после фокуса имеются четыре локальные области, в которых поляризация эллиптическая. Причем в двух диагональных областях имеет место левая, а в двух других диагональных областях – правая эллиптическая поляризация. При переходе через плоскость фокуса направление вращения вектора поляризации в этих областях меняется на противоположное. 
  7) Рассмотрена острая фокусировка света с циркулярно-азимутальной поляризацией m-го порядка. Это тип неоднородной поляризации, объединяющий свойства цилиндрической поляризации m-го порядка и круговой поляризации. Теоретически и численно показано, что интенсивность в фокусе имеет 2(m + 1) локальных максимумов, расположенных вдоль замкнутого контура с нулевой интенсивностью в центре (на оптической оси). Показано также, что в фокусе имеется 4m вихрей поперечного потока энергии, центры которых расположены между локальными максимумами интенсивности.
chairman_dissertation_council.name: Виктор
chairman_dissertation_council.surname: Сойфер
chairman_dissertation_council.patronymic: Александрович
chairman_dissertation_council.position: Президент Самарского университета
chairman_dissertation_council.degree: Доктор технических наук
chairman_dissertation_council.rank: Академик
chairman_dissertation_council.wos_research_id: C-3088-2017
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 36836834300
chairman_dissertation_council.rinc_id: 3028
chairman_dissertation_council.url: https://ssau.ru/
chairman_dissertation_council.orcid: 0000-0003-4239-4389
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Владимир
organization_supervisor.surname: Богатырев
organization_supervisor.patronymic: Дмитриевич
organization_supervisor.position: ректор
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 29.31.15
rubrics.name: Излучение и волновая оптика
oecds.code: 01.03.SY
oecds.name: OPTICS
speciality_codes.name: Оптика
speciality_codes.code: 1.3.6.
supervisors.fio: Котляр В.В.
supervisors.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
supervisors.speciality_code: Оптика
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Воляр А.В.
opponents.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
opponents.speciality_code: Лазерная физика
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Лукин В.П.
opponents.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
opponents.speciality_code: Оптика
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Петров Н.В.
opponents.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
opponents.speciality_code: Оптика
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: САМАРСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "САМАРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П.КОРОЛЕВА"
protection_organization.ogrn: 1026301168310
protection_organization.supervisor_name: ВЛАДИМИР
protection_organization.supervisor_surname: БОГАТЫРЕВ
protection_organization.supervisor_patronymic: ДМИТРИЕВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные автономные учреждения
author_organization.short_name: САМАРСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
author_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "САМАРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П.КОРОЛЕВА"
author_organization.ogrn: 1026301168310
author_organization.supervisor_name: ВЛАДИМИР
author_organization.supervisor_surname: БОГАТЫРЕВ
author_organization.supervisor_patronymic: ДМИТРИЕВИЧ
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные автономные учреждения