大数跨境
首页
>
前沿| 构建多自由度可控的紧聚焦光学斯格明子和半子
>

前沿| 构建多自由度可控的紧聚焦光学斯格明子和半子

前沿| 构建多自由度可控的紧聚焦光学斯格明子和半子 两江科技评论
2024-01-25
3
导读：近日，上海理工大学大学詹其文教授课题组在Nanophotonics发表文章，提出基于偶极子天线阵列的辐射场，从理论上成功构建多自由度可控的紧聚焦光学斯格明子和半子。


图1 构建紧聚焦光学斯格明子和半子示意图

1. 导读

1961年，英国物理学家Skyrme在研究介子与重子相互作用的统一场论时，提出了一种具有拓扑保护的准粒子结构，这种准粒子在数学上被称为斯格明子(Skyrmion)。随后的研究证明斯格明子可存在于多个领域，包括量子场、固态物理、液晶材料和玻色-爱因斯坦凝聚等。在凝聚态物理中，由于在大容量信息编码和低能量磁存储方面的潜在应用，磁斯格明子受到了广泛的研究关注。2018年，Science报道一种由电场矢量变化构造的光学斯格明子，开辟了这一光学领域前沿课题。近五年来，各种类型的光学斯格明子在不同的光学体系中被发现，包括倏逝场的自旋/电场斯格明子、传播的脉冲光中的磁场矢量斯格明子、Stokes矢量斯格明子及动量空间中的赝自旋斯格明子等。这些非平凡拓扑光学准粒子在光学信息处理、传输和存储方面将具有巨大的潜在应用价值。
近日上海理工大学大学詹其文教授课题组在Nanophotonics发表文章，提出基于偶极子天线阵列的辐射场，从理论上成功构建多自由度可控的紧聚焦光学斯格明子和半子。数值结果表明，所构建的光学斯格明子和半子的拓扑结构可调控，包括Néel型、Bloch型、中间态及反态等，并且拓扑结构所在的二维平面的法线方向也可任意调控。该研究提出的方法显著增加了紧聚焦电场矢量光学斯格明子和半子的可调控自由度，在微纳米尺度的光学拓扑结构操纵以及探索其与材料相互作用等方面具有潜在的应用前景。

2. 研究背景

矢量光场是一种偏振空间非均匀分布的光场，理论起源可以追溯至1961年Snitzer提出的柱对称电介质波导模式。径向偏振光场和旋向偏振光场是两种经典的矢量光场，它们在波阵面上不同位置的偏振态都是线偏振。其它更为复杂的矢量光场，因在特定波前同时具有复杂非均匀局域偏振态，因而具有诸多超越标量场的特殊性质，具有许多新颖的传输特性和紧聚焦特性。比如径向偏振光通过高数值孔径透镜紧聚焦，在焦场的横向平面因产生强纵向分量而具有最佳的聚焦；复杂矢量光通过紧聚焦后可在焦区附近形成新颖的焦场，如光针、光管，焦斑阵列等。这些焦场的设计与调控基本上是通过优化设计入瞳相位滤波元件，结合常规柱状对称矢量光束，以优化入瞳孔面上的场分布，最后通过高数值孔径紧聚焦获得。此类方法存在诸如所需的优化时间冗长、优化方法复杂，优化后的焦场可调整度有限，且往往不能得到最优结果等问题。

3. 创新研究

针对前面所述挑战，研究团队受益于偶极子辐射方向图定性理解径向偏振入射光可以产生最佳聚焦的启发，提出一种基于偶极子阵列的辐射场和时间反演技术，获得所需的入瞳场以构建期望的光焦场的方法。该方法无需复杂优化过程，具有显著创新性。
研究人员利用偶极子来模拟焦场的偏振结构。基于阵列天线辐射理论，利用同心多圆环形偶极阵列（Multiple Concentric-ring Array of Dipoles：MCAD）的辐射场来获得入瞳面的光场，基于时间反演方法，反转此光场。为汇聚此反转辐射场，以更好的恢复偶极子天线阵列所表示的电场偏振结构，采用4π光学聚焦装置（如图1所示）。最后利用矢量德拜积分理论来计算紧聚焦光场的电场矢量分布以表征其拓扑结构。
研究人员优化设计MCAD模型结构，其中环间距经调试后确定为0.18个波长；圆心处放置一个偶极子，从内环往外环第一环偶极子数量为6个，第二环为12个，依此类推，第五环为30个偶极子；同时精心布置MCAD各个偶极子的振荡方向（由极角和方位角描述）来模拟焦场的偏振结构，且设置同一环上偶极子的振荡极角相同。
研究人员首先将此MCAD模型布置在图1所示光学装置的焦平面，数值结果表明可以成功构建出位于焦平面的不同类型的拓扑结构。图2展示位于焦平面具有不同螺旋度（helicity）的光学斯格明子，其中图2（a）-2（c）分别为螺旋度为π/4的中间态、螺旋度为π/2的Bloch型和螺旋度为π的Néel型斯格明子。

图2 拓扑结构可调

其次，研究人员发现，若将MCAD布置于过焦点处的指定平面（即规定平面的法向参数），可以构建位于不同平面的光学斯格明子和半子，如图3所示。其中图3(a1)-3(d1)和图3(a2)-3(d2)分别为位于不同平面的Néel型斯格明子和半子。这些光学准粒子的拓扑平面与布置MCAD所在的平面一致。

图3 拓扑结构指向可调

最后，研究人员综合调控布置MCAD的平面及MCAD中偶极子的振荡方向，成功构建出拓扑结构和指向同时可调控的紧聚焦光学斯格明子和半子，如图4所示。

图4 紧聚焦光场拓扑结构及指向的综合调控

4. 应用与展望

研究团队提出一种基于偶极子阵列辐射理论的紧聚焦电场矢量斯格明子和半子的构建方法。基于此方法可以构建出斯格明子和半子两种电场矢量的拓扑结构，且极性（polarity）、涡度（vorticity）和螺旋度（helicity）均可调控，此外二维拓扑平面的法向也可定制。此方法拓展了紧聚焦电场矢量斯格明子的调控自由度，在微纳米尺度的光学拓扑性质的操纵以及探索光学斯格明子与材料相互作用等方面具有潜在的应用前景。
该研究成果以“Tightly focused optical skyrmions and merons formed by electric-field vectors with prescribed characteristics”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是曾永西、余燕忠、沈熙、陈建和詹其文；其中曾永西为第一作者，系福建泉州师范学院副教授、上海理工大学在读博士研究生；陈建副教授和詹其文教授为共同通讯作者。詹其文教授带领的上海理工大学纳米光子学COSMOS团队，聚焦研究复杂光场以及特异光学结构（Complex Optical fieldS and Meta-Optical Structures，COSMOS），研究结果在Nature Photonics, Advanced Photonics, National Science Review, Science Bulletin, Photonics Research等国际知名期刊发表。团队发表论文数超过100篇，研究成果被多次评为“中国光学十大进展”、“全球30项光学重大进展”。本项目得到了国家自然科学基金委光场调控重大研究计划重点项目（NSFC 92050202）、国家自然科学基金面上项目(NSFC 12274299)、福建省科技厅自然基金项目（2020J01777,2021J01972）、上海市青年科技启明星计划(22QA1406600)的支持。
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。

【声明】内容源于网络
0
0
两江科技评论
聚焦“光声力热”超构材料、凝聚态物理、生物医学、智能制造等领域，打造科研人便捷的交流平台，发布优质新鲜的科研资讯。
内容 6001
粉丝 0
两江科技评论 聚焦“光声力热”超构材料、凝聚态物理、生物医学、智能制造等领域，打造科研人便捷的交流平台，发布优质新鲜的科研资讯。
总阅读9.2k
粉丝0
内容6.0k