Орбитальный угловой момент и топологический заряд гауссова пучка с несколькими оптическими вихрями
Автор: Ковалв Алексей Андреевич, Котляр Виктор Викторович, Калинкина Дарья Сергеевна
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии
Статья в выпуске: 1 т.44, 2020 года.
Бесплатный доступ
Исследован теоретически и численно Гауссов пучок с несколькими оптическими вихрями с единичным топологическим зарядом одного знака, центры которых расположены равномерно на окружности. Получены простые выражения для его мощности, орбитального углового момента и топологического заряда. Показано, что орбитальный угловой момент, нормированный на мощность, не может превышать количество вихрей в пучке. Этот орбитальный угловой момент убывает с увеличением расстояния от оптической оси до центров вихрей. Топологический заряд, напротив, не зависит от этого расстояния и равен числу вихрей. При прохождении через случайный фазовый экран (диффузор) и распространении в свободном пространстве рассмотренные пучки можно идентифицировать по числу локальных минимумов интенсивности (теневых пятен) и по орбитальному угловому моменту, что подтверждается численным моделированием.
Гауссов пучок, оптический вихрь, фазовая сингулярность, орбитальный угловой момент, топологический заряд, случайный экран, диффузор, рассеивающая среда
Короткий адрес: https://sciup.org/140247072
IDR: 140247072 | DOI: 10.18287/2412-6179-CO-632
Orbital angular momentum and topological charge of a Gaussian beam with multiple optical vortices
Here we study theoretically and numerically a Gaussian beam with multiple optical vortices with unitary topological charge (TC) of the same sign, located uniformly on a circle. Simple expressions are obtained for the Gaussian beam power, its orbital angular momentum (OAM), and TC. We show that the OAM normalized to the beam power cannot exceed the number of vortices in the beam. This OAM decreases with increasing distance from the optical axis to the centers of the vortices. The topological charge, on the contrary, is independent of this distance and equals the number of vortices. The numerical simulation corroborates that after passing through a random phase screen (diffuser) and propagating in free space, the beams of interest can be identified by the number of local intensity minima (shadow spots) and by the OAM.
Список литературы Орбитальный угловой момент и топологический заряд гауссова пучка с несколькими оптическими вихрями
- Krenn, M. Communication with spatially modulated light through turbulent air across Vienna / M. Krenn, R. Fickler, M. Fink, J. Handsteiner, M. Malik, T. Scheidl, R. Ursin, A. Zeilinger // New Journal of Physics. - 2014. - Vol. 16. - 113028. - DOI: 10.1088/1367-2630/16/11/113028
- Durnin, J. Exact solutions for nondiffracting beams. I. The scalar theory / J. Durnin // Journal of the Optical Society of America A. - 1987. - Vol. 4. - P. 651-654. - DOI: 10.1364/JOSAA.4.000651
- Васильев, В. С. Распространение пучков Бесселя и суперпозиций вихревых пучков в атмосфере / B.С. Васильев, А.И. Капустин, Р.В. Скиданов, Н.А. Ивлиев, В.В. Подлипнов, С.В. Ганчевская // Компьютерная оптика. - 2019. - Т. 43, № 3. - С. 376-384. - DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-3-376-384
- Siegman, A.E. Lasers / A.E. Siegman. - Sausalito, CA: University Science Books, 1986.
- Wang, F. Average intensity and spreading of partially coherent standard and elegant Laguerre-Gaussian beams in turbulent atmosphere / F. Wang, Y. Cai, H.T. Eyyuboglu, Y. Baykal // Progress in Electromagnetics Research. - 2010. - Vol. 103. - P. 33-55. - DOI: 10.2528/PIER10021901
- Chen, Y. Experimental demonstration of a Laguerre-Gaussian correlated Schell-model vortex beam / Y. Chen, F. Wang, C. Zhao, Y. Cai // Optics Express - 2014. - Vol. 22, Issue 5. - P. 5826-5838. -
- DOI: 10.1364/OE.22.005826
- Lukin, V.P. Beam spreading of vortex beams propagating in turbulent atmosphere / V.P. Lukin, P.A. Konyaev, V.A Sennikov // Applied Optics. - 2012. - Vol. 51, Issue 10. - P. C84-C87. -
- DOI: 10.1364/AO.51.000C84
- Gori, F. Bessel-Gauss beams / F. Gori, G. Guattari, C. Padovani // Optics Communications. - 1987. - Vol. 64. -P. 491-495. -
- DOI: 10.1016/0030-4018(87)90276-8
- Zhu, K. Propagation of Bessel-Gaussian beams with optical vortices in turbulent atmosphere / K. Zhu, G. Zhou, X. Li, X. Zheng, H. Tang // Optics Express. - 2008. - Vol. 16, Issue 26. - P. 21315-21320. -
- DOI: 10.1364/OE.16.021315
- Avramov-Zamurovic, S. Experimental study of electromagnetic Bessel-Gaussian schell model beams propagating in a turbulent channel / S. Avramov-Zamurovic, C. Nelson, S. Guth, O. Korotkova, R. Malek-Madani // Optics Communications. - 2016. - Vol. 359. - P. 207-215. -
- DOI: 10.1016/j.optcom.2015.09.078
- Lukin, I.P. Integral momenta of vortex Bessel-Gaussian beams in turbulent atmosphere / I.P. Lukin // Applied Optics. - 2016. - Vol. 55, Issue 12. - P. B61-B66. -
- DOI: 10.1364/AO.55.000B61
- Wang, L.G. The effect of atmospheric turbulence on the propagation properties of optical vortices formed by using coherent laser beam arrays / L.G. Wang, W.W. Zheng // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. - 2009. -Vol. 11, Issue 6. - 065703. -
- DOI: 10.1088/14644258/11/6/065703
- Alperin, S.N. Quantitative measurement of the orbital angular momentum of light with a single, stationary lens / S.N. Alperin, R.D. Niederriter, J.T. Gopinath, M.E. Siemens // Optics Letters. - 2016. - Vol. 41, Issue 21. - P. 50195022. -
- DOI: 10.1364/OL.41.005019
- Kotlyar, V.V. Calculation of fractional orbital angular momentum of superpositions of optical vortices by intensity moments / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.P. Porfirev // Optics Express. - 2019. - Vol. 27, Issue 8. - P. 11236-11251. -
- DOI: 10.1364/OE.27.011236
- Indebetouw, G. Optical vortices and their propagation / G. Indebetouw // Journal of Modern Optics. - 1993. - Vol. 40, Issue 1. - P. 73-87. -
- DOI: 10.1080/09500349314550101
- Dennis, M. Rows of optical vortices from elliptically perturbing a high-order beam / M. Dennis // Optics Letters. - 2006. - Vol. 31, Issue 9. - P. 1325-1327. -
- DOI: 10.1364/OL.31.001325
- Alexeyev, C.N. Mutual transfor-mations of fractional-order and integer-order optical vortices / C.N. Alexeyev, Ya.A. Egorov, A.V. Volyar // Physical Review A. - 2017. - Vol. 96. - 063807. -
- DOI: 10.1103/PhysRevA.96.063807
- Berry, M.V. Optical vortices evolving from helicoidal integer and fractional phase steps / M.V. Berry // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. - 2004. - Vol. 6. - P. 259268. -
- DOI: 10.1088/1464-4258/6/2/018
- Volyar, A. Vortex avalanche in the perturbed singular beams / A. Volyar, M. Bretsko, Y. Akimova, Y. Egorov // Journal of the Optical Society of America A. - 2019. -Vol. 36. - P. 1064-1071. -
- DOI: 10.1364/JOSAA.36.001064
- Котляр, В.В. Топологическая стабильность оптических вихрей при дифракции на случайном фазовом экране / В.В. Котляр, А.А. Ковалёв, А.П. Порфирьев // Компьютерная оптика. - 2019. - Т. 43, № 6. - С. 917-925. -
- DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-6-917-925
- Abramovitz, M. Handbook of mathematical functions: With formulas, graphs, and mathematical tables / ed. by M. Abramovitz, I.A. Stegun. - New York: Dover Publications, Inc., 1965. - 1046 p.
