Структурная устойчивость спиральных пучков и тонкая структура потока энергии

Abstract

Проблема структурной устойчивости волновых систем с многими степенями свободы непосредственно касается вопроса перераспределения потоков энергии в структурированных вихревых пучках, обеспечивающих их устойчивость при распространении и фокусировке. Особое место в этом многообразии занимают спиральные вихревые пучки, способные отображать сложные фигуры, буквы и даже слова. Спиральные пучки содержат бесконечное множество пучков Лагерра–Гаусса со строгой последовательностью топологических зарядов и радиальных чисел, их амплитуды и фазы жестко согласованы. Используя сочетание теории и компьютерного моделирования, подкрепленное экспериментом, мы проанализировали структуру критических точек в потоках энергии для двух основных типов спиральных пучков: треугольные пучки с нулевым радиальным числом и треугольные пучки со сложным обрамлением их граней и с обоими квантовыми числами. Структурная устойчивость обеспечивается триадами критических точек, как внутри, так и во внешней области треугольника, которые направляют световой поток вдоль треугольной образующей и удерживают обрамление при вращении пучка. Эксперимент показал, что простой треугольный спиральный пучок оказывается устойчивым даже при небольших неточностях юстировки, тогда как сложный треугольный пучок с обрамлением требует тщательной юстировки. The problem of structural stability of wave systems with great numbers of degrees of freedom directly concerns the issue of redistribution of energy fluxes in structured vortex beams that ensure their stability under propagating and focusing. A special place in this variety is occupied by spiral vortex beams capable of mapping complex figures, letters and even words. Spiral beams contain an infinite set of Laguerre-Gauss beams with a strong sequence of topological charges and radial numbers, their amplitudes and phases are tightly matched. Therefore, the problem of structural stability plays a special role for their applications. Using a combination of theory and computer simulation, supported by experiment, we ana-lyzed the structure of critical points in energy flows for two main types of spiral beams: triangular beams with zero radial number and triangular beams with complex framing of their faces with both quantum numbers. Structural stability is provided by triads of critical points, both inside and outside the triangle, which direct the light flux along the triangular generatrix and hold the framing when rotating the beam. The experiment showed that a simple triangular spiral beam turns out to be stable even with small alignment inaccuracies, whereas a complex triangular beam with a fram-ing requires careful alignment.