<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1073662</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2022.1073662</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Evolution of the orbital angular momentum flux density of partially coherent vortex beams in atmospheric turbulence</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Zhang et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fphy.2022.1073662">10.3389/fphy.2022.1073662</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Yongtao</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2059801/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>Jiayi</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Gbur</surname>
<given-names>Greg</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/126206/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Korotkova</surname>
<given-names>Olga</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff4">
<sup>4</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2042627/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>College of Physics and Information Engineering</institution>, <institution>Minnan Normal University</institution>, <addr-line>Zhangzhou</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Shandong Provincial Engineering and Technical Center of Light Manipulations &#x26; Shandong Provincial Key Laboratory of Optics and Photonic Devices</institution>, <institution>School of Physics and Electronics</institution>, <institution>Shandong Normal University</institution>, <addr-line>Jinan</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff3">
<sup>3</sup>
<institution>Department of Physics and Optical Science</institution>, <institution>University of North Carolina at Charlotte</institution>, <addr-line>Charlotte</addr-line>, <addr-line>NC</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<aff id="aff4">
<sup>4</sup>
<institution>Department of Physics</institution>, <institution>University of Miami</institution>, <addr-line>Coral Gables</addr-line>, <addr-line>FL</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1194893/overview">Carmelo Rosales-Guzm&#xe1;n</ext-link>, Centro de Investigaciones en Optica, Mexico</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/159925/overview">Gianluca Ruffato</ext-link>, University of Padua, Italy</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1471053/overview">Chengliang Zhao</ext-link>, Soochow University, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Olga Korotkova, <email>korotkova@physics.miami.edu</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Optics and Photonics, a section of the journal Frontiers in Physics</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>30</day>
<month>11</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>10</volume>
<elocation-id>1073662</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>18</day>
<month>10</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>14</day>
<month>11</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Zhang, Yu, Gbur and Korotkova.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Zhang, Yu, Gbur and Korotkova</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>We investigate the behavior of the orbital angular momentum (OAM) flux density of partially coherent vortex (PCV) beams in atmospheric turbulence. It is shown that for PCV beams with different spatial coherence structures, the OAM flux density distribution exhibits rich variations along the propagation path. Our findings provide insight into the use of the OAM in free-space optical communications when turbulence effects are significant.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>atmospheric turbulence</kwd>
<kwd>propagation</kwd>
<kwd>partially coherent</kwd>
<kwd>orbital angular momentum</kwd>
<kwd>vortex</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>Introduction</title>
<p>During the past few decades, the study of vortex structures in optical fields, and more complicated wavefield singularities, has become a stand-alone area of investigation of modern optics, named singular optics [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>]. Spatially coherent beams carrying optical vortices, called vortex beams, have attracted much interest due to their potential applications in many areas including coronagraph [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>], coherence filtering [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>], and free-space optical communication [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>]. Since Allen et al. found that Laguerre&#x2013;Gauss beams carry a well-defined OAM as a consequence of their vortex core [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], vortex beams have also found application in optical tweezing [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], optical spanning [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>], design of light-driven machines [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], high-resolution microscopy [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>], security holograms [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>], quantum information transfer [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>], and rotation measurements [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>].</p>
<p>Partially coherent beams have been shown to benefit a number of applications, such as free-space optical communication [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>], particle trapping [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>], and atom cooling [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>]. It is therefore of great interest to consider vortex structures in partially coherent beams. Unlike spatially coherent beams, however, partially coherent beams do not have a well-defined phase structure and their behavior can only be described using coherence functions. Some years ago, Schouten et al showed that these coherence functions can possess their own phase singularities (and optical vortices) that are closely related to their coherent counterparts [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>], and since then, much attention has been given to these so-called coherence singularities or coherence vortices [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>]. For partially coherent beams carrying vortex structures, which are called PCV beams, when the coherence decreases, coherence singularities are shown to be more robust than phase singularities [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>].</p>
<p>Recently, it was found that the OAM of PCV beams exhibits a number of novel characteristics. For example, different types of PCV beams can have different distributions of the OAM flux density in their cross-sections. The OAM flux density can represent a Rankine vortex, a rigid body rotator, a fluid rotator, or even more rich varieties of OAM distributions; these results indicate that PCV beams can provide additional control over OAM than their coherence counterparts [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>]. More recently, we found that one can manipulate the source coherence to change the OAM flux density of PCV beams on propagation in free space [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>], and this effect joins correlation-induced spectral and polarization changes in a family of source coherence influenced propagation phenomena (for the summary see Ch. 4 of Ref. [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>]).</p>
<p>However, despite the fact that free-space optical communication is one of the most significant applications of such beams, the propagation characteristics of the OAM flux density of PCV beams in atmospheric turbulence has yet to be studied. In this paper, we study the propagation of the OAM flux density of PCV beams in atmospheric turbulence. We derive analytic formulas showing how atmospheric turbulence affects the OAM flux density on propagation, and illustrate the changes with a number of model partially coherent beams with structured spatial coherence.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>Theory</title>
<p>We consider a scalar, statistically stationary random source that is located in a plane perpendicular to the direction of propagation. The second-order statistical properties of the source can be characterized by the cross-spectral density (CSD) function [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>],<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x2329;" close="&#x232a;" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents averaging over a spatial-frequency ensemble of the field <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the asterisk stands for complex conjugate. Here, <bold>r</bold> is the two-dimensional position vector in the source plane.</p>
<p>To model a variety of partially coherent vortex beams, we consider isotropic Schell-model sources with a definite topological charge, of the form<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>with<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>representing the normalized Laguerre&#x2013;Gauss mode of radial order 0 and azimuthal order <italic>l</italic>, and<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mfrac>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:msqrt>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the source spectral degree of coherence, <italic>w</italic> is the initial beam width, and <italic>l</italic> is the topological charge.</p>
<p>The CSD function of the PCV beam after propagating in atmospheric turbulence can be calculated with the extended Collins integral [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>].<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="}" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denote the coordinates of two arbitrary points at the receiver plane, <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the wave number of light with <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> being the wavelength. The angle brackets <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represent an average over an ensemble of turbulence states, which can be expressed as [<xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>]<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>01</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>02</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="}" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>01</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>02</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>01</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>02</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the quantity denoting the effect of turbulence, <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the one-dimensional power spectrum of the refractive-index fluctuations of the turbulent medium, and <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the spatial frequency.</p>
<p>If turbulence is governed by non-Kolmogorov statistics and the power spectrum <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has the van Karman form, in which slope 11/3 is generalized to an arbitrary parameter <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>], i.e.,<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>with<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x393;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x393;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the outer and inner scales of the turbulence, respectively; <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the power law exponent; <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a generalized refractive-index structure parameter with units <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x393;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the gamma function. For the power spectrum in <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Eq. 7</xref>, <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be expressed as<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x393;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x393;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the incomplete Gamma function. For the case of <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 11/3, the power spectrum <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> reduces to the van Karman spectrum with Kolmogorov statistics, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eq. 6</xref> can be expressed as<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xb7;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.545</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the coherence length of a spherical wave propagating through the turbulent medium.</p>
<p>In the modeling of a partially coherent vortex beam, we begin with a planar, secondary Gaussian Schell-model vortex (GSMV) source, with a source spectral degree of coherence of the form<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the coherence width. Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Eqs. 2</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">14</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">15</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eq. 5</xref>, the cross-spectral density function of the GSMV beam with <italic>l</italic> &#x3d; 1 in the plane <italic>z</italic> can be derived analytically. The result is given by the expression<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="}" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="" close="}" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>with<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For a paraxial scalar PCV beam, the average OAM flux density can be shown to be related to the CSD function by the expression [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>]<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the free-space permittivity, <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represent partial derivatives with respect to <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. It is to be noted that the OAM flux density at a point depends not only on the strength of rotation at the point, but also on the local intensity. To better understand the physics of the OAM distribution, we may consider a normalized OAM flux density <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which represents the average OAM flux density per photon,<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the <italic>z</italic>-component of the Poynting vector. The total OAM per photon can be given by the ratio of integrated <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>,<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x210f;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The total OAM <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is conserved on propagation, while the distribution of OAM flux density may change during propagation. These changes will be a combination of correlation-induced OAM changes and turbulence-induced OAM changes. Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eq. 16</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref>, one finds that the average OAM flux density of a GSMV beam is given by the expression<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="}" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>With the help of <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Eqs. 19</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">21</xref>, we can calculate the distribution of normalized OAM flux density <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the GSMV beam propagating in atmospheric turbulence.</p>
<p>To illustrate the possible effects of atmospheric turbulence on the distribution of the OAM flux density of PCV beams with different spatial coherence states, we will involve multi-Gaussian Schell-model vortex (MGSMV) source, for which the source spectral degree of coherence has the form<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the normalization factor, <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Pochhammer symbol (falling factorial) [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>], and <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msqrt>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the coherence widths of the constituent Gaussian functions. In the far field, the MGSMV beams with <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represent flat-topped profiles [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>], and the MGSMV beams with <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represent cusped profiles [<xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>]. For <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the MGSMV source reduces to the traditional GSMV source in <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Eq. 15</xref>.</p>
<p>We will also consider a source that is the incoherent superposition of GSMV beams with equal and opposite topological charges but different coherence width <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, for which the CSD function has the form<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="|" close="|" separators="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This source has a net zero OAM flux density but will exhibit OAM flux density changes on propagation due to the different correlation widths of the different OAM modes, even in free space [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>].</p>
<p>With the help of <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eqs. 16</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">21</xref>, the normalized OAM flux density <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of MGSMV beams and the incoherent superposition of GSMV beams can be constructed by superposition of the solutions of GSMV beams with different coherence widths <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec sec-type="results" id="s3">
<title>Results</title>
<p>To show the effect of atmospheric turbulence on the evolution of OAM of PCV beams on propagation, we calculate the normalized OAM flux density <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of GSMV beams, MGSMV beams and the incoherent superposition of GSMV beams, respectively. The distribution of spectral density is also given for comparison.</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> shows the evolution of the normalized OAM flux density <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of GSMV beams in atmospheric turbulence, for different propagation distances <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We take <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>632.8</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the remainder of the paper. It can be seen from <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref> that over a short propagation distance <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the difference between the OAM distribution near the core for <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is small, which is similar with that of the spectral density in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1D</xref>, and with the increase of propagation distance the difference becomes larger. However, in the outskirts, even at small propagation distance<inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the difference between the OAM distribution is obvious, which indicates that the OAM in the outskirts is more affected by atmospheric turbulence than that near the core. This results in an interesting phenomenon that the OAM flux density is larger in atmospheric turbulence than in free space for shorter propagation distances but becomes smaller at longer distances.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Normalized OAM flux density <bold>(A&#x2013;C)</bold> and spectral density <bold>(D&#x2013;F)</bold> of GSMV beams with <italic>w</italic> &#x3d; 10&#xa0;mm, <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, at <italic>z</italic> &#x3d; 1&#xa0;km <bold>(A,D)</bold>, <italic>z</italic> &#x3d; 2&#xa0;km <bold>(B,E)</bold>, and <italic>z</italic> &#x3d; 5&#xa0;km <bold>(C,F)</bold>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1073662-g001.tif"/>
</fig>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref> show the evolution of OAM in atmospheric turbulence for <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and<inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. It can be seen that the distribution of OAM in free space mimics that of the spectral density of the respective beams: the beam (<inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) with a flat-topped spectral density results in a flat-bottomed &#x201c;dead zone&#x201d; in the OAM, and the beam (<inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) with a cusped spectral density results in a cusped OAM distribution near the core. As the propagation distance in atmospheric turbulence is increased, the flat-topped spectral density degenerates to a Gaussian profile (see also [<xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>]), while it is interesting to find that the &#x201c;dead zone&#x201d; of OAM in the core can be maintained, within which there is no circulation. For the cusped OAM distribution in atmospheric turbulence, with the increase of propagation distance, it disappears as does the cusped spectral density distribution (see also [<xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>]).</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Normalized OAM flux density <bold>(A&#x2013;C)</bold> and spectral density <bold>(D&#x2013;F)</bold> of MGSMV beams with <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <italic>w</italic> &#x3d; 10&#xa0;mm, <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, at <italic>z</italic> &#x3d; 1&#xa0;km <bold>(A,D)</bold>, <italic>z</italic> &#x3d; 2&#xa0;km <bold>(B,E)</bold>, and <italic>z</italic> &#x3d; 5&#xa0;km <bold>(C,F)</bold>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1073662-g002.tif"/>
</fig>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Normalized OAM flux density <bold>(A&#x2013;C)</bold> and spectral density <bold>(D&#x2013;F)</bold> of MGSMV beams with <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <italic>w</italic> &#x3d; 10&#xa0;mm, <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, at <italic>z</italic> &#x3d; 1&#xa0;km <bold>(A,D)</bold>, <italic>z</italic> &#x3d; 2&#xa0;km <bold>(B,E)</bold>, and <italic>z</italic> &#x3d; 5&#xa0;km <bold>(C,F)</bold>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1073662-g003.tif"/>
</fig>
<p>Even more significant variations in the distribution of OAM can be made by the incoherent superposition of GSMV beams with equal and opposite topological charge. We label the positive contribution by the subscript &#x201c;&#x2b;&#x201d; and the negative contribution by the subscript &#x201c;-&#x201d;. <xref ref-type="fig" rid="F4">Figures 4</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref> give the evolution of OAM with the fixed correlation width of the positive vortex beam <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and width <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.5</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the negative vortex beam, respectively. Counter-rotating regions of OAM flux density are created due to the different local densities of the modes with different correlation widths, creating, for example, in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> a beam core with a negative flux density and an outer region with a positive flux density.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Normalized OAM flux density <bold>(A&#x2013;C)</bold> and spectral density <bold>(D&#x2013;F)</bold> of superposed GSMV beams with <italic>w</italic> &#x3d; 10&#xa0;mm, <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, at <italic>z</italic> &#x3d; 1&#xa0;km <bold>(A,D)</bold>, <italic>z</italic> &#x3d; 2&#xa0;km <bold>(B,E)</bold>, and <italic>z</italic> &#x3d; 5&#xa0;km <bold>(C,F)</bold>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1073662-g004.tif"/>
</fig>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Normalized OAM flux density <bold>(A&#x2013;C)</bold> and spectral density <bold>(D&#x2013;F)</bold> of superposed GSMV beams with <italic>w</italic> &#x3d; 10&#xa0;mm, <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.5</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, at <italic>z</italic> &#x3d; 1&#xa0;km <bold>(A,D)</bold>, <italic>z</italic> &#x3d; 2&#xa0;km <bold>(B,E)</bold>, and <italic>z</italic> &#x3d; 5&#xa0;km <bold>(C,F)</bold>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1073662-g005.tif"/>
</fig>
<p>It can be seen from the figures that this non-trivial counter-rotating structure can be maintained on propagation in atmospheric turbulence, even though the OAM <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the normalized OAM flux density <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the source plane. It can also be seen that the distribution of OAM is affected more than the corresponding spectral density.</p>
<p>In comparing <xref ref-type="fig" rid="F4">Figures 4</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref>, it can be seen that the OAM distribution for <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is affected more than that for <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.5</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This may be explained by the effective turbulence resistance of lower coherence beams: a beam with lower coherence spreads faster, and therefore turbulence-induced beam spreading is less noticeable. For the constituent GSMV beam with larger coherence width and negative topological charge (<inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), the negative part of the counter-rotating OAM distribution becomes a region which is similar to a &#x201c;dead zone&#x201d; as the propagation distance in turbulence increases.</p>
</sec>
<sec sec-type="discussion" id="s4">
<title>Discussion</title>
<p>In summary, we have studied the evolution of the OAM density flux in atmospheric turbulence for PCV beams with different coherence structures, i.e., GSMV beams, MGSMV beams, and the incoherent superposition of GSMV beams. The analytical expression of the average OAM flux density in atmospheric turbulence is derived, with which we illustrate the changes of OAM distribution on propagation. The results show that after propagating in atmospheric turbulence, the OAM distribution of PCV beams exhibits rich behavior. It is found that the OAM distribution in the outskirts is more affected by atmospheric turbulence than that near the core, which results in an interesting phenomenon that the OAM flux density is larger in atmospheric turbulence than that in free space for shorter propagation distances but becomes smaller at longer distances. Especially, for the MGSMV beams with <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the &#x201c;dead zone&#x201d; of OAM in the core can be maintained for long propagation distance. For the incoherent superposition of GSMV beams, the non-trivial counter-rotating structure can be maintained on propagation in atmospheric turbulence, even though the OAM <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the normalized OAM flux density <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the source plane. Meanwhile, for the constituent GSMV beam with large coherence width and negative topological charge, with the increase of propagation distance in atmospheric turbulence, the negative part of the counter-rotating OAM distribution becomes a region which is similar as the &#x201c;dead zone&#x201d;. Our findings may be useful in the application of free-space OAM communication in the presence of atmospheric turbulence.</p>
<p>We have illustrated the possible OAM changes in air turbulence only for a very small portion of partially coherent beams; an entirely different behavior may be expected for non-Schell model beams, e.g., non-uniformly correlated, twisted beams or radially accelerating random beams. The calculation of the OAM flux is far from trivial even for general Schell-model beams, even in free space [<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>], and hence, better methods need to be developed for comprehensive analysis of the OAM flux density of beams with arbitrary coherence states, for propagation in both free space and turbulent media.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s5">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/Supplementary Material; further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s6">
<title>Author contributions</title>
<p>All authors listed have made a substantial, direct, and intellectual contribution to the study and approved it for publication.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Funding</title>
<p>The authors thank the National Natural Science Foundation of China (12174173, 12004218), the Fujian Provincial Natural Science Foundation of China (2022J02047), and the Shandong Provincial Natural Science Foundation of China (ZR2020QA067). GG was supported by the Air Force Office of Scientific Research (FA9550-21-1-0171) and Office of Naval Research (MURI N00014-20-1-2558). OK was supported by the Cooper Fellowship of the University of Miami.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s8">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s9">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors, and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Soskin</surname>
<given-names>MS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vasnetsov</surname>
<given-names>MV</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Singular optics</article-title>. <source>Prog Opt</source> (<year>2001</year>) <volume>42</volume>:<fpage>219</fpage>&#x2013;<lpage>76</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0079-6638(01)80018-4</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dennis</surname>
<given-names>MR</given-names>
</name>
<name>
<surname>O&#x2019;Holleran</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Padgett</surname>
<given-names>MJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Singular optics: Optical vortices and polarization singularities</article-title>. <source>Prog Opt</source> (<year>2009</year>) <volume>53</volume>:<fpage>293</fpage>&#x2013;<lpage>363</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gbur</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Singular optics</source>. <publisher-loc>Boca Raton, FL</publisher-loc>: <publisher-name>CRC Press</publisher-name> (<year>2017</year>). p. <fpage>545</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>JH</given-names>
</name>
<name>
<surname>Foo</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johnson</surname>
<given-names>EG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Swartzlander</surname>
<given-names>GA</given-names>
<suffix>Jr</suffix>
</name>
</person-group>. <article-title>Experimental verification of an optical vortex coronagraph</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2006</year>) <volume>97</volume>:<fpage>053901</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.97.053901</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Palacios</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rozas</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Swartzlander</surname>
<given-names>GA</given-names>
<suffix>Jr</suffix>
</name>
</person-group>. <article-title>Observed scattering into a dark optical vortex core</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2002</year>) <volume>88</volume>:<fpage>103902</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.88.103902</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gibson</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Courtial</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Padgett</surname>
<given-names>MJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vasnetsov</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pas&#x2019;ko</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Barnett</surname>
<given-names>SM</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Free-space information transfer using light beams carrying orbital angular momentum</article-title>. <source>Opt Express</source> (<year>2004</year>) <volume>12</volume>:<fpage>5448</fpage>&#x2013;<lpage>56</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/opex.12.005448</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Allen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Beijersbergen</surname>
<given-names>MW</given-names>
</name>
<name>
<surname>Spreeuw</surname>
<given-names>RJC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Woerdman</surname>
<given-names>JP</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>1992</year>) <volume>45</volume>:<fpage>8185</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.45.8185</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Grier</surname>
<given-names>DG</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A revolution in optical manipulation</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2003</year>) <volume>424</volume>:<fpage>810</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature01935</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Simpson</surname>
<given-names>NB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dholakia</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Allen</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Padgett</surname>
<given-names>MJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Mechanical equivalence of spin and orbital angular momentum of light: An optical spanner</article-title>. <source>Opt Lett</source> (<year>1997</year>) <volume>22</volume>:<fpage>52</fpage>&#x2013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/ol.22.000052</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ladavac</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grier</surname>
<given-names>DG</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Microoptomechanical pumps assembled and driven by holographic optical vortex arrays</article-title>. <source>Opt Express</source> (<year>2004</year>) <volume>12</volume>:<fpage>1144</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/opex.12.001144</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ritsch-Marte</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Orbital angular momentum light in microscopy</article-title>. <source>Phil Trans R Soc A</source> (<year>2017</year>) <volume>375</volume>:<fpage>20150437</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rsta.2015.0437</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ruffato</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rossi</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Massari</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mafakheri</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Capaldo</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Romanato</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Design, fabrication and characterization of Computer Generated Holograms for anti-counterfeiting applications using OAM beams as light decoders</article-title>. <source>Sci Rep</source> (<year>2017</year>) <volume>7</volume>:<fpage>18011</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41598-017-18147-7</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Erhard</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fickler</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Krenn</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zeilinger</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Twisted photons: New quantum perspectives in high dimensions</article-title>. <source>Light Sci Appl</source> (<year>2018</year>) <volume>7</volume>:<fpage>17146</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/lsa.2017.146</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xiao</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Application of optical orbital angular momentum to rotation measurements</article-title>. <source>Results Opt</source> (<year>2021</year>) <volume>5</volume>:<fpage>100158</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.rio.2021.100158</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ricklin</surname>
<given-names>JC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Davidson</surname>
<given-names>FM</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Atmospheric turbulence effects on a partially coherent Gaussian beam: Implications for free-space laser communication</article-title>. <source>J Opt Soc Am A</source> (<year>2002</year>) <volume>19</volume>:<fpage>1794</fpage>&#x2013;<lpage>802</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/josaa.19.001794</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eyyubo&#x11f;lu</surname>
<given-names>HT</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Radiation force of coherent and partially coherent flat-topped beams on a Rayleigh particle</article-title>. <source>Opt Express</source> (<year>2009</year>) <volume>17</volume>:<fpage>1753</fpage>&#x2013;<lpage>65</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/oe.17.001753</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cheng</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Q</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shen</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Atom cooling by partially spatially coherent lasers</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2013</year>) <volume>88</volume>:<fpage>023416</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.88.023416</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schouten</surname>
<given-names>HF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gbur</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Visser</surname>
<given-names>TD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wolf</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Phase singularities of the coherence functions in Young&#x2019;s interference pattern</article-title>. <source>Opt Lett</source> (<year>2003</year>) <volume>28</volume>:<fpage>968</fpage>&#x2013;<lpage>70</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/ol.28.000968</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gbur</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Visser</surname>
<given-names>TD</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Coherence vortices in partially coherent beams</article-title>. <source>Opt Commun</source> (<year>2003</year>) <volume>222</volume>:<fpage>117</fpage>&#x2013;<lpage>25</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0030-4018(03)01606-7</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gbur</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Visser</surname>
<given-names>TD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wolf</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>&#x2018;hidden&#x2019; singularities in partially coherent wavefields</article-title>. <source>J Opt A: Pure Appl Opt</source> (<year>2004</year>) <volume>6</volume>:<fpage>S239</fpage>&#x2013;<lpage>42</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1464-4258/6/5/017</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Takeda</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Coherence current, coherence vortex, and the conservation law of coherence</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2006</year>) <volume>96</volume>:<fpage>223904</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.96.223904</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Raghunathan</surname>
<given-names>SB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schouten</surname>
<given-names>HF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Visser</surname>
<given-names>TD</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Correlation singularities in partially coherent electromagnetic beams</article-title>. <source>Opt Lett</source> (<year>2012</year>) <volume>37</volume>:<fpage>4179</fpage>&#x2013;<lpage>81</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/ol.37.004179</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stahl</surname>
<given-names>CSD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gbur</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Complete representation of a correlation singularity in a partially coherent beam</article-title>. <source>Opt Lett</source> (<year>2014</year>) <volume>39</volume>:<fpage>5985</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/ol.39.005985</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Palacios</surname>
<given-names>DM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Maleev</surname>
<given-names>ID</given-names>
</name>
<name>
<surname>Marathay</surname>
<given-names>AS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Swartzlander</surname>
<given-names>GA</given-names>
<suffix>Jr</suffix>
</name>
</person-group>. <article-title>Spatial correlation singularity of a vortex field</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2004</year>) <volume>92</volume>:<fpage>143905</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.92.143905</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>SM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gbur</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Angular momentum conservation in partially coherent wave fields</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2012</year>) <volume>86</volume>:<fpage>043814</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.86.043814</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gbur</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Partially coherent vortex beams (Invited)</article-title>. <source>Proc SPIE</source> (<year>2018</year>) <volume>10549</volume>:<fpage>1054903</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stahl</surname>
<given-names>CSD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gbur</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Partially coherent vortex beams of arbitrary order</article-title>. <source>J Opt Soc Am A</source> (<year>2017</year>) <volume>34</volume>:<fpage>1793</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/josaa.34.001793</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gbur</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Control of orbital angular momentum with partially coherent vortex beams</article-title>. <source>Opt Lett</source> (<year>2019</year>) <volume>44</volume>:<fpage>3617</fpage>&#x2013;<lpage>20</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/ol.44.003617</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Korotkova</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gbur</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Correlation-induced orbital angular momentum changes</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2020</year>) <volume>102</volume>:<fpage>063513</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.102.063513</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Korotkova</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Theoretical statistical optics</source>. <publisher-loc>London</publisher-loc>: <publisher-name>World Scientific</publisher-name> (<year>2021</year>). p. <fpage>280</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wolf</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Introduction to the theory of coherence and polarization of light</source>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>2007</year>). p. <fpage>222</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Andrews</surname>
<given-names>LC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Phillips</surname>
<given-names>RL</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Laser beam propagation through random media</source>. <publisher-loc>Bellingham, Washington</publisher-loc>: <publisher-name>SPIE Press</publisher-name> (<year>1998</year>). p. <fpage>775</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shirai</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dogariu</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wolf</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Mode analysis of spreading of partially coherent beams propagating through atmospheric turbulence</article-title>. <source>J Opt Soc Am A</source> (<year>2003</year>) <volume>20</volume>:<fpage>1094</fpage>&#x2013;<lpage>102</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/josaa.20.001094</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shchepakina</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Korotkova</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Second-order statistics of stochastic electromagnetic beams propagating through non-Kolmogorov turbulence</article-title>. <source>Opt Express</source> (<year>2010</year>) <volume>18</volume>:<fpage>10650</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/oe.18.010650</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Korotkova</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hyde</surname>
<given-names>I</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Multi-Gaussian random variables for modeling optical phenomena</article-title>. <source>Opt Express</source> (<year>2021</year>) <volume>29</volume>:<fpage>25771</fpage>&#x2013;<lpage>99</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/oe.432227</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sahin</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Korotkova</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Light sources generating far fields with tunable flat profiles</article-title>. <source>Opt Lett</source> (<year>2012</year>) <volume>37</volume>:<fpage>2970</fpage>&#x2013;<lpage>2</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/ol.37.002970</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Korotkova</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Circularly symmetric cusped random beams in free space and atmospheric turbulence</article-title>. <source>Opt Express</source> (<year>2017</year>) <volume>25</volume>:<fpage>5057</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/oe.25.005057</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Korotkova</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sahin</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shchepakina</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Multi-Gaussian schell-model beams</article-title>. <source>J Opt Soc Am A</source> (<year>2012</year>) <volume>29</volume>:<fpage>2159</fpage>&#x2013;<lpage>64</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/josaa.29.002159</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Fast calculation of orbital angular momentum flux density of partially coherent Schell-model beams on propagation</article-title>. <source>Opt Express</source> (<year>2022</year>) <volume>30</volume>:<fpage>16856</fpage>&#x2013;<lpage>72</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/oe.459089</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>