Рождение оптических вихрей при распространении поля с начальным дробным топологическим зарядом

Abstract

Топологический заряд параксиального оптического вихря при распространении в свободном пространстве в общем случае не сохраняется, в отличие от орбитального углового момента, который сохраняется. В работе на примере Гауссова пучка с дробным топологическим зарядом в начальной плоскости показано численно, как меняется топологический заряд при распространении. Имеется четыре сценария эволюции оптического вихря с начальным дробным топологическим зарядом, в зависимости от близости дробного топологического заряда к целому чётному или нечётному числу. Для простых оптических вихрей (моды Лагерра–Гаусса или Бесселя–Гаусса) топологический заряд сохраняется и при распространении, и при слабом фазовом искажении. Экспериментально показано, что целый топологический заряд оптического вихря сохраняется при рассеянии на фазовом случайном экране вплоть до величины случайного искажения разности хода на половину длины волны. Поэтому при слабой турбулентности имеет смысл измерять топологический заряд, так как он меняется дискретно, а орбитальный угловой момент пучка, который меняется непрерывно.

In contrast to the orbital angular momentum (OAM), which is conserved on free space propagation, the topological charge (TC) of a paraxial optical vortex (OV) is not conserved in the general case. Here, we investigate a Gaussian beam with a fractional TC in the original plane and demonstrate both theoretically and numerically how the TC changes in the course of propagation. Depending on the proximity of the topological charge to an even or odd integer number, an optical vortex with the original fractional TC is shown to behave in a number of different ways. For simple OVs (Laguerre-Gaussian or Bessel-Gaussian modes), TC is conserved both in propagation and after weak phase distortions. An experiment shows that when scattered by a random phase screen, the integer TC of an OV is conserved right up to a random phase variation of π. Therefore, in the case of weak turbulences, it is expedient to measure a discretely varying TC instead of a continuously varying OAM.