撰稿|由课题组供稿
在凝聚态体系、量子系统和手性磁材料等研究中，有一种表现出具有三维矢量结构和有序参数连续对称的非平凡拓扑扭曲和结点，被称为斯格明子。斯格明子具有特殊的拓扑自旋结构，在量子场、固体物理、磁性材料等领域发挥着重要作用，近年来在光场也得以实现。斯格明子具有了多种拓扑数，换句话说，斯格明子可以调控出多种不同拓扑的结构，如涡旋（Bloch-型）、刺猬（Néel-型）、鞍状（反型）等，并可扩展到更高维度，已然被认为是下一代大信息容量的载体。但在与非线性介质的相互作用中，斯格明子的拓扑结构容易遭到破坏，限制了其进一步的应用。现在对于斯格明子与非线性介质相互作用的研究也知之甚少。
在最近发表在《Optica》的文章中，来自中国、英国和墨西哥的一个研究人员报道了一种新型结构光的非线性转换的现象。在此基础上，提出了一种任意矢量结构光的非线性频率转换机制，将矢量光束转换为具有多种拓扑结构（包括先前的Néel-、Bloch-和反斯格明子类型）的光学对应。与传统的认为光的拓扑荷会随着频率变换而改变的观点不同，新型的非线性变换允许光学斯格明子在非线性相互作用过程中保持其拓扑结构，即保形变换（保角变换）。并且提出了一种拓扑鲁棒孤立子演化过程的可视化几何表示方法，为非线性介质中斯格明子的进一步应用提供了直观的指导。“这是已知的光学斯格明子非线性相互作用的第一个实验，不同的拓扑结构已经在非线性转换中被测试，为研究结构光场调控打开了一个新的方向。”本文通信作者朱智涵如是评论到。“斯格明子的拓扑结构在与非线性介质的交互作用中总是很脆弱，极大地限制了其应用。现在这个限制被打破了，光天子被推动用于长距离通信的下一代大容量光信息载体。”项目负责人史保森教授这样说。
图1：在保形非线性光学频率变换过程中，信号光和和频光中的斯格明子结构可保持相同的拓扑结构，适用于各种斯格明子拓扑态。
此外，本研究还系统地研究了基于非简并和频率生成的具有0型准相位匹配的孤立子保角频率转换。利用所提出的方法和设置，可以在不改变其整个空间结构的情况下，将红外区域内由二维和三维（即本征模和非本征模）构造的光学斯格明子有效地上转换为可见光区域的斯格明子。这一原理为构建任意矢量结构光/光子的高效频率转换器提供了蓝图。并坚实地表明了高维量子界面和偏振分辨上转换成像等新应用将会很快出现在大众的视野中。
图2：斯格明子在新型非线性光学变换中保持其拓扑结构
文章主要合作者包括哈尔滨理工大学教授朱智涵，哈尔滨理工大学教授兼墨西哥里昂光学研究中心研究员CarmeloRosales-Guzmán,英国南安普顿大学高级研究员申艺杰，中国科学技术大学教授史保森，该项目得到了国家自然科学基金 (no. 62075050, 11934013, 61975047,12174185, U20A20218);黑龙江省高层次人才计划资助项目(no. 2020GSP12)的资助。
文章链接：
H. Wu, B. Yu, Z. Zhu, W. Gao,D. Ding, Z. Zhou, X. Hu, C. Rosales-Guzmán, Y. Shen, and B. Shi, "Conformalfrequency conversion for arbitrary vectorial structured light," Optica 9(2), 187-196(2022).
https://doi.org/10.1364/OPTICA.444685
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