Ukrainian Journal of Physical Optics


2026 Volume 27, Issue 5


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

CONTROLLABLE LOCALIZATION AND MANIPULATION OF OPTICAL HOLLOW TRAPS BY MEANS OF OPTICAL-VORTEX DIFFRACTION

O. Angelsky, A. Bekshaev, C. Zenkova, I. Mokhun and X. Zhang

Author Information
1Angelsky, O. ORCID logo SCOPUS logo, 1,2Bekshaev, A. ORCID logo SCOPUS logo, 1Zenkova, C. ORCID logo SCOPUS logo, 1Mokhun, I. ORCID logo SCOPUS logo, 3Zhang, X. SCOPUS logo
1Correlation Optics Department, Chernivtsi National University, 2 Kotsyubinsky Str., Chernivtsi 58012, Ukraine
2Physics Research Institute, Odesa I.I. Mechnikov National University, 2 V.Zmiienka Str., Odesa 65082, Ukraine,
3Nankai University, Tianjin, China
*Corresponding author: bekshaev@onu.edu.ua

ABSTRACT

An optical vortex (OV) is coupled with the local intensity zero and is thus a field configuration suitable for “hollow” optical traps and optical tweezers. When an incident circular OV beam experiences diffraction at a rectilinear screen edge (SE), and the SE is far enough from the beam axis, the main consequence is the OV-core displacement from its initial position. Based on the model of an incident Laguerre-Gaussian beam, we investigate analytically and numerically ways to control the OV-core position in the diffracted field by changing the SE position relative to the incident-beam axis. The results show that by regulating the SE position with ~1 μm accuracy, controllable OV-core motion with sub-nanometer accuracy can be realized. We also analyze additional control possibilities related to the incident-beam topological charge, wavefront curvature, SE properties (semitransparent screen, phase-step screen), and the distance between the diffraction plane and the observation plane.

Keywords: Hollow trap, optical tweezer, optical vortex, edge diffraction, vortex-core displacement, controllable manipulation

UDC: 535.4

    1. Angelsky, O. V., Bekshaev, A. Y., Hanson, S. G., Zenkova, C. Y., Mokhun, I. I. & Zheng, J. (2020). Structured light: Ideas and concepts. Front. Phys., 8, 114.
      doi:10.3389/fphy.2020.00114
    2. Rubinsztein-Dunlop, H., Forbes, A., Berry, M. V., Dennis, M. R., Andrews, D. L., et al. (2017). Roadmap on structured light. J. Opt., 19, 013001.
      doi:10.1088/2040-8978/19/1/013001
    3. Padgett, M. J., Molloy, J., & McGloin, D., editors. (2010). Optical Tweezers: Methods and applications. CRC press.
      doi:10.1201/EBK1420074123
    4. Dholakia, K., MacDonald, M., & Spalding, G. (2002). Optical tweezers: the next generation. Physics World, 15(10), 31-35.
      doi:10.1088/2058-7058/15/10/37
    5. Molloy, J. E. & Padgett, M. J. (2002). Lights, action: Optical tweezers. Contemporary Physics, 43(4), 241-258.
      doi:10.1080/00107510110116051
    6. Nieminen, T. A., Knöner, G., Heckenberg, N. R., & Rubinsztein‐Dunlop, H. (2007). Physics of optical tweezers. Methods in Cell Biology, 82, 207-236.
      doi:10.1016/S0091-679X(06)82006-6
    7. Moffitt, J. R., Chemla, Y. R., Smith, S. B., & Bustamante, C. (2008). Recent advances in optical tweezers. Annu. Rev. Biochem., 77(1), 205-228.
      doi:10.1146/annurev.biochem.77.043007.090225
    8. Polimeno, P., Magazzu, A., Iati, M. A., Patti, F., Saija, R., Boschi, C. D. E. et al. (2018). Optical tweezers and their applications. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 218, 131-150.
      doi:10.1016/j.jqsrt.2018.07.013
    9. Pesce, G., Jones, P. H., Maragò, O. M. & Volpe, G. (2020). Optical tweezers: theory and practice. The European Physical Journal Plus, 135(12), 949.
      doi:10.1140/epjp/s13360-020-00843-5
    10. Volpe, G., Maragò, O. M., Rubinsztein-Dunlop, H., Pesce, G., Stilgoe, A. B. et al. (2023). Roadmap for optical tweezers. J. Phys.: Photonics, 5(2), 022501.
      doi:10.1088/2515-7647/acb57b
    11. Angelsky, O. V., Zenkova, C. Y., Hanson, S. G., Ivansky, D. I., Tkachuk, V. M., & Zheng, J. (2021). Random object optical field diagnostics by using carbon nanoparticles. Opt. Express, 29, 916-928.
      doi:10.1364/OE.411118
    12. Pan, Y. L., Kalume, A., Lenton, I. C., Nieminen, T. A., Stilgoe, A. B., Rubinsztein-Dunlop, H., et al. (2019). Optical-trapping of particles in air using parabolic reflectors and a hollow laser beam. Opt. Express, 27, 33061-33069.
      doi:10.1364/OE.27.033061
    13. Eckerskorn, N., Li, L., Kirian, R. A., Küpper, J., DePonte, D. P., Krolikowski, W., Lee, W. M., Chapman, H. N., & Rode, A. V. (2013). Hollow Bessel-like beam as an optical guide for a stream of microscopic particles. Opt. Express, 21(25), 30492-30499.
      doi:10.1364/OE.21.030492
    14. Zhang, Y., Su, W., Qin, Y., Jin, W., Liu, J., Zhang, M., et al. (2024). Minimum-thermal-disturbance nanoparticle fiber optical tweezers using high-order Bessel-like hollow beam. Journal of Lightwave Technology, 42(20), 7336-7341.
      doi:10.1109/JLT.2024.3416615
    15. Soskin, M. S. & Vasnetsov, M. V. (2001). Singular optics. Prog. Opt., 42, 219-276.
      doi:10.1016/S0079-6638(01)80018-4
    16. Bekshaev, A. Y., Soskin, M. S., & Vasnetsov, M. V. (2008). Paraxial Light Beams with Angular Momentum. Nova Science Publishers, New York.
    17. Dennis, M. R., O'Holleran, K., & Padgett, M. J. (2009). Singular optics: optical vortices and polarization singularities. Prog. Opt., 53, 293-364.
      doi:10.1016/S0079-6638(08)00205-9
    18. Bekshaev, A. Y., Bliokh, K. Y., & Soskin, M. S. (2011). Internal flows and energy circulation in light beams. J. Opt., 13, 053001.
      doi:10.1088/2040-8978/13/5/053001
    19. Born, M., & Wolf, E. (1999). Principles of Optics. Cambridge University Press, Cambridge.
      doi:10.1017/CBO9781139644181
    20. Solimeno, S., Crosignani, B., & DiPorto, P. (1986). Guiding, Diffraction and Confinement of Optical Radiation. Academic Press.
    21. Marienko, I. G., Vasnetsov, M. V., & Soskin, M. S. (1999). Diffraction of optical vortices. Proc. SPIE, 3904, 27-34.
      doi:10.1117/12.370421
    22. Vasnetsov, M. V., Marienko, I. G., & Soskin, M. S. (2000). Self-reconstruction of an optical vortex. JETP Lett., 71, 130-133.
      doi:10.1134/1.568297
    23. Arlt, J. (2003). Handedness and azimuthal energy flow of optical vortex beams. J. Mod. Opt., 50, 1573-1580.
      doi:10.1080/09500340308235231
    24. Gorshkov, V. N., Kononenko, A. N., & Soskin, M. S. (2001). Diffraction and self-restoration of a severe screened vortex beam. Proc. SPIE, 4403, 127-137.
      doi:10.1117/12.428259
    25. Masajada, J. (2000). Gaussian beams with optical vortex of charge 2- and 3- diffraction by a half-plane and slit. Optica Applicata, 30, 248-256.
    26. Masajada, J. (2000). Half-plane diffraction in the case of Gaussian beams containing an optical vortex. Opt. Commun., 175, 289-294.
      doi:10.1016/S0030-4018(00)00470-3
    27. Cui, H. X., Wang, X. L., Gu, B., Li, Y. N., Chen, J., & Wang, H. T. (2012). Angular diffraction of an optical vortex induced by the Gouy phase. J. Opt., 14, 055707.
      doi:10.1088/2040-8978/14/5/055707
    28. Bekshaev, A. Y., Mohammed. K. A., & Kurka, I. A. (2014). Transverse energy circulation and the edge diffraction of an optical-vortex beam. Appl. Opt., 53, B27-B37.
      doi:10.1364/AO.53.000B27
    29. Bekshaev, A. Y., Chernykh, A,, Khoroshun, A, & Mikhaylovskaya, L. (2016). Localization and migration of phase singularities in the edge-diffracted optical-vortex beams. J. Opt., 18, 024011.
      doi:10.1088/2040-8978/18/2/024011
    30. Bekshaev, A. Y., Chernykh, A., Khoroshun. A., & Mikhaylovskaya, L (2017) Displacements and evolution of optical vortices in edge-diffracted Laguerre-Gaussian beams. J. Opt., 19, 055605.
      doi:10.1088/2040-8986/aa6352
    31. Bekshaev, A. Y., Chernykh, A., Khoroshun, A., & Mikhaylovskaya, L. (2017) Singular skeleton evolution and topological reactions in edge-diffracted circular optical-vortex beams. Opt. Commun. 397, 72-83.
      doi:10.1016/j.optcom.2017.03.062
    32. Bekshaev, A. Y., Angelsky, O. V., & Hanson, S. G. (2018). Transformations and evolution of phase singularities in diffracted optical vortices. In: Advances in Optics: Reviews (vol 1), ed. S. Y. Yurish International Frequency Sensor Association (IFSA), Barcelona, Spain. Ch 13, 345-389. (ISBN: 978-84-697-9435-7, e-ISBN: 978-84-697-9436-4)
    33. Bekshaev, A. Y., Khoroshun, A, & Mikhaylovskaya, L. (2019). Transformation of the singular skeleton in optical-vortex beams diffracted by a rectilinear phase step. J. Opt., 21, 084003
      doi:10.1088/2040-8986/ab2c5b
    34. Bekshaev, A. Y., Chernykh, A., Khoroshun, A., Masajada, J., Popiołek-Masajada, A. & Riazantsev, A. (2021). Controllable singular skeleton formation by means of the Kummer optical-vortex diffraction at a rectilinear phase step. J. Opt., 23, 034002.
      doi:10.1088/2040-8986/abcea7
    35. Freund, I. (1999). Critical point explosions in two-dimensional wave fields. Opt. Commun. 159(1), 99-117.
      doi:10.1016/S0030-4018(98)00591-4
    36. Bekshaev, A. Y., Soskin, M. S., & Vasnetsov, M. V. (2004). Transformation of higher-order optical vortices upon focusing by an astigmatic lens. Opt. Commun., 241, 237-247.
      doi:10.1016/j.optcom.2004.07.023
    37. Bekshaev, A. Y., & Karamoch, A. I. (2008). Astigmatic telescopic transformation of a high-order optical vortex. Opt. Commun., 281, 5687-5696.
      doi:10.1016/j.optcom.2008.09.017
    38. F. Ricci, F., Löffler, W., & van Exter, M. P. (2012). Instability of higher-order optical vortices analyzed with a multi-pinhole interferometer. Opt. Express. 20(20), 22961-22975.
      doi:10.1364/OE.20.022961
    39. Masatsugu Sei Suzuki. Kirchhoff-Fresnel Diffraction https://ru.scribd.com/document/817997107/LN-15S-Fresnel-diffraction (accessed 09.07.2026)
    40. Bekshaev, A. Y,, & Mikhaylovskaya, L. (2019). Displacements of optical vortices in Laguerre-Gaussian beams diffracted by a soft-edge screen. Opt. Commun., 447, 80-88.
      doi:10.1016/j.optcom.2019.04.085
    41. Kotlyar, V. V., Skidanov, R. V., Khonina, S. N., & Balalayev, S. A. (2006). Hypergeometric modes. Computer Optics, 30, 16-22.
    42. Kotlyar, V. V., Kovalev, A. A., Skidanov, R. V., Khonina, S. N., & Turunen, J. (2008). Generating hypergeometric laser beams with a diffractive optical element. Appl. Opt., 47(32), 6124-6133.
      doi:10.1364/AO.47.006124
    43. Karimi, E., Zito, G., Piccirillo, B., Marrucci, L., & Santamato, E. (2007). Hypergeometric-gaussian modes. Opt. Lett., 32(21), 3053-3055.
      doi:10.1364/OL.32.003053
    44. Bekshaev, A. Y., & Karamoch, A. I. (2008). Spatial characteristics of vortex light beams produced by diffraction gratings with embedded phase singularity. Opt. Commun., 281, 1366-1374.
      doi:10.1016/j.optcom.2007.11.032
    45. Bekshaev, A. Y., Orlinska, O., & Vasnetsov, M. V. (2010). Optical vortex generation with a "fork" hologram under conditions of high-angle diffraction. Opt. Commun., 283, 2006-2016.
      doi:10.1016/j.optcom.2010.01.012
    46. Bekshaev. A. Y., & Karamoch, A. I. (2008). Displacements and deformations of a vortex light beam produced by the diffraction grating with embedded phase singularity. Opt. Commun., 281, 3597-3610.
      doi:10.1016/j.optcom.2008.03.070
    47. Khonina, S. N., Ustinov, A. V., Logachev, V. I., & Porfirev, A. P. (2020). Properties of vortex light fields generated by generalized spiral phase plates. Phys. Rev. A, 101(4), 043829.
      doi:10.1103/PhysRevA.101.043829

    Оптичний вихор (ОВ) супроводжується локальним нулем інтенсивності й, таким чином, є конфігурацією поля, придатною для «порожнистих» оптичних пасток та оптичних пінцетів. Коли вхідний циркулярний ОВ-пучок зазнає дифракції на прямолінійному краї екрана (КЕ), і КЕ знаходиться достатньо далеко від осі пучка, основним наслідком дифракції є зсув ядра ОВ відносно його початкового положення. На основі моделі вхідного лагерр-гауссового пучка аналітично та чисельно досліджуються способи керування положенням ядра ОВ у дифрагованому полі шляхом зміни положення КЕ відносно осі вхідного пучка. Результати показують, що регулювання положення КЕ з точністю ~1 мкм дозволяє реалізувати керований рух ядра ОВ з субнанометровою точністю. Аналізуються додаткові можливості керування, пов'язані з топологічним зарядом вхідного пучка, кривизною хвильового фронту, властивостями КЕ (напівпрозорий екран, екран зі зміною фази) та відстанню між площиною дифракції та площиною спостереження.

    Ключові слова: Порожниста пастка, оптичний пінцет, оптичний вихор, крайова дифракція, зсув ядра вихору, кероване пересування

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0