Топологический заряд суперпозиции двух пучков Бесселя–Гаусса

Abstract

В работе теоретически показано, что у суперпозиции двух пучков Бесселя–Гаусса с разными топологическими зарядами и разными масштабными множителями (радиальными проекциями волновых векторов) топологический заряд равен топологическому заряду того пучка Бесселя–Гаусса, у которого больше масштабный множитель. Если у пучков Бесселя–Гаусса масштабные множители равны, то топологический заряд суперпозиции равен топологическому заряду того пучка Бесселя–Гаусса, у которого больше модуль весового коэффициента (больше мощность). Если и мощности пучков одинаковы, то топологический заряд суперпозиции равен среднему арифметическому от топологических зарядов каждого пучка Бесселя–Гаусса в суперпозиции. При условии, что сумма топологических зарядов обоих пучков нечётная, топологический заряд суперпозиции будет полуцелым числом. Но на практике из-за конечного радиуса окружности, на котором рассчитывается топологический заряд, полуцелого топологического заряда для вырожденного случая не получается. Вместо полуцелого топологического заряда, получается целый топологический заряд, меньший из двух. Моделирование показывает, что при небольшой разнице в весовых коэффициентах топологический заряд суперпозиции не сохраняется: в ближней зоне и зоне Френеля топологический заряд равен большему из двух, а в дальней зоне – меньшему. Причем переход топологического заряда от большего к меньшему происходит не скачком, а непрерывно на некотором расстоянии. В переходной зоне топологический заряд дробный.

Here we show theoretically that a superposition of two Bessel-Gaussian (BG) beams with different topological charges (TC) and different scaling factors (radial components of the wave vectors) has the TC equal to that of the BG beam with the larger scaling factor. If the scaling factors of the BG beams are equal, then TC of the whole superposition equals TC of the BG beam with the larger (in absolute value) weight coefficient in the superposition (i.e. with larger power). If the constituent BG beams are also same-power, TC of the superposition equals the average TC of the two BG beams. Therefore, if the sum of TCs of both beams is odd, TC of the superposition is a half-integer number. In practice, however, TC is calculated over a finite radius circle and, hence, the half-integer TC for the degenerated case cannot be obtained. Instead of the half-integer TC, the lower of the two integer TCs is obtained. Numerical simulation reveals that if the weight coefficients in the superposition are slightly different, TC of the superposition is not conserved on propagation. In the near field and in the Fresnel diffraction zone, TC is equal to the highest TC of the two BG beams, while in the far field it is equal to the lower TC. What is more, TC changes its value from high to low not instantly, but continuously at some propagation distance. In the intermediate zone TC is fractional.