最后 ， 我们从理论和实验两方面研究了光束中具有相反拓扑电荷系数的多旋涡的稳定演化 。 高斯环境中的相同旋涡是不稳定的 ， 因为在传播过程中 ， 每个旋涡在横向平面上都表现出独立的线性运动；然而 ， 包含相反电荷的旋涡不可避免地相互作用（吸引或排斥 ， 或两者兼而有之） ， 导致非线性位移到其原始位置 ， 因此它们也不稳定 。 多涡的稳定传播被认为发生在非线性介质中 。 然而 ， 由于固有的涡旋-反涡旋相互作用 ， 在自由空间传播时 ， 可以稳定涡旋 。
涡流场的结果如图5a所示 。 显然 ， 产生了具有预期模式的奇点 。 为了表征相结构 ， 涡旋场受到平面波的干扰 ， 结果如图5b所示 。 条纹揭示了预期位置的四个相同位错 ， 以及中心的一个相反位错 。 我们再现了图5e中的初始涡旋光场 ， 以及图5f中的干涉图 。 这些结果与测量值吻合良好 。 结果 ， 四个相同的漩涡沿着直线独立移动 ， 伴随着光束围绕中心旋转 。 这种耦合项往往会减慢甚至停止光束的旋转 ， 使多个漩涡在传播过程中保持稳定 。 我们注意到 ， 这种交互过程与r0的选择有关 。 在这里 ， 我们通过研究r0=w0的耦合项F14来展示停止旋转的特殊情况 。 这从图5c、d中的测量结果可以明显看出 ， 分别在z=50 mm和z=100 mm处记录 。 可以看出 ， 光束根本不旋转 ， 涡流在传播时变得近似稳定 。
图5 a–d）多个旋涡稳定传播的实验观察 ， 由固有的旋涡-反旋涡相互作用产生 。 a）在焦平面（z=0）处产生的涡旋光场 ， 包含四个相同的反轴涡旋和一个位于中心的反涡旋 。 记录的强度模式以对数标度表示 。 b–d）实验记录的距离处的干涉图：b）z=0；c） z=50 mm；和d）z=100 mm 。 e–h）对应于（a–d）中测量值的理论结果 。 所有面板共享相同的比例 。 比例尺：0.5 mm 。
3、结论
总之 ， 我们已经从理论和实验上证明了一种新的内在旋涡-光的反旋涡相互作用过程 ， 这种相互作用是在携带多个具有相反拓扑电荷的旋涡的光场传播时自然产生的 。 提出了描述耦合现象的一般模型 。 通过探索耦合机制 ， 我们揭示了有趣的涡旋动力学 ， 包括涡旋碰撞、湮没、相互排斥、轨道角动量分离和稳定传播 。 此外 ， 我们开发了一种实验技术 ， 能够有效地将交互旋涡编码为纯相位全息图 。 利用这项技术 ， 所有理论预测都得到了实验验证 。 值得一提的是 ， 人们对光的自旋-轨道和轨道-轨道耦合非常感兴趣 。 在这方面 ， 我们认为我们的演示引起了人们对固有轨道的一个新过程——轨道耦合的关注 。 这为在新耦合机制的框架内进行潜在研究提供了新的机会 ， 除了此处所示的案例之外 。
预计会有潜在的应用 ， 例如 ， 轨道角动量霍尔效应可用于产生纠缠在OAM中的成对光子；而多旋涡的不变传播可能在光通信领域得到应用 。 我们认为 ， 固有涡旋-反涡旋相互作用是一种普遍现象 ， 可适用于许多不同类型的涡旋波 ， 如电子波、量子波、水波和声波 。
来源：Intrinsic Vortex–Antivortex Interaction of Light Laser Photonics Reviews doi.org/10.1002/lpor.202100648
参考文献：P. Coullet L. Gil F. Rocca Opt. Commun. 1989 73 403. L. Allen M. W. Beijersbergen R. J. C. Spreeuw J. P. Woerdman Phys. Rev. A 1992 45 8185.
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