清华大学精密仪器系先进激光技术团队肖起榕副教授与新加坡南洋理工大学申艺杰助理教授等人，研究提出了高质量、高集成度、抗衍射、亚波长尺度的光学斯格明子（Optical skyrmions）发生器。研究结合新兴的‘Lab-on-fiber’技术，利用超构光学平台研究了拓扑结构光的新奇物理特性，设计了多种不同拓扑结构的斯格明子发射器，并实验论证了高纯度斯格明子的鲁棒传输，解决了亚波长斯托克斯（Stokes）斯格明子集成化的问题，为拓扑光束的集成器件与信息传输提供了新的思路。相关成果以“Optical skyrmions from metafibers with subwavelength features”为题发表于《Nature Communications》上。
斯格明子（Skyrmion）是一种具有拓扑稳定结构的准粒子，由英国物理学家托尼·斯格明于1962年首次提出，它在凝聚态物理与电磁学等领域被广泛研究，由于具有拓扑保护等有趣特性成为当前的国际研究热点[1]。近年来，利用电磁场构造的光学斯格明子，因具备灵活调控特性和远距离拓扑稳定传播等优良特性而愈发引起广泛关注[2]。
但是，由于光学斯格明子一般具有复杂的自旋或偏振的分布纹理，所以需要极为精细的光场调控技术。目前常用的光斯格明子发生器通常体积庞大且系统复杂，例如包含数字微镜、空间光调制器或级联的光学元件的精密系统，这大大阻碍了光学斯格明子的集成化并限制了其实际应用。虽然有利用表面等离子体激元等近场光学来构建的斯格明子，但是其具有无法传输到远场的突出限制[3]。此外，通过传统方法实现紧聚焦的程度有限，因此在亚波长尺度调制具有复杂结构的光场和复杂极化分布的拓扑结构光仍具有挑战性。
为此，研究团队将超构表面集成在光纤端面上[4]，通过科学设计超构表面对两束贝塞尔（Bessel）光束基底进行调制，实现了光学斯格明子发生器的集成化、小型化、和多功能化，产生了拓扑稳定的高质量、抗衍射的光学斯托克斯斯格明子。
（1）光纤集成小型化斯格明子发生器
研究团队基于光纤端面集成超构表面设计了光斯格明子发生器，利用矢量光束的偏振斯托克斯矢量来构造出不同的skyrmions。图1a-1d展示了基于正交圆偏振光下的两个贝塞尔光束基底（0阶和1阶）的斯托克斯斯格明子（Stokes skyrmion）产生原理图，其中一个光束包含光学角动量（OAM）。为了更清晰的展示斯格明子的拓扑分布细节，学术界一般将其所有的偏振态从一个参数球映射到一个定域横平面来表示（图1b），其空间变化的矢量分布将覆盖整个skyrmion。我们采用色调亮度（HL）颜色来标记偏振状态：即每个偏振态对应于庞加莱球（Poincaré sphere）上一点，用斯托克斯矢量(Sx,Sy,Sz)表示；亮度(Lightness)用于表示纵向分量Sz的大小，而色相(Hue)来表示横向(Sx,Sy)分量方位角。
一个完美的Stokes skyrmion的斯托克斯矢量分布和斯托克斯庞加莱球分布如图1c和图1d所示。因此，集成于光纤端面的超构表面对光纤光场进行调制，在正交偏振态下实现携带不同拓扑荷数的紧聚焦Bessel光束（数值孔径NA=0.8）。光场在光纤出射近场内具有空间偏振不可分性，从而生成具有亚波长偏振分布的、具备稳定拓扑传播特性的Stokes skyrmions。
图1 全光纤小型化斯格明子（skyrmion）发生器示意图。方框：斯托克斯斯格明子（Stokes skyrmion）的设计原理图。
（2）全光纤光斯格明子开关调控
通过调控光纤光源中的线偏振方向，可以实现skyrmion与non-skyrmions光场分布的自由切换控制。在不同线偏振态光源下的skyrmion的斯托克斯庞加莱球分布如图2所示：当偏振态角度在40°- 70°范围内，整个庞加莱球几乎被完全覆盖，斯格明子数（skyrmion number）接近于1（即理想状态），这意味着在实际应用中无需严格对准偏振态方向也可获得高质量的skyrmion。而若将入射光纤光源偏振态调节为0°或90°，此时斯格明子数接近于0，表现为non-skyrmion态。因此调节光纤光源偏振态可实现对skyrmion的开关控制，有望通过全光纤系统实现高速调控。
另外，通过叠加四分之一波片（等效于更换正交偏振基底），可实现不同纹理之间的转换，研究验证了skyrmion的拓扑变换：例如，当四分之一玻片的快轴方向与x轴夹角为45°时，即可实现skyrmion纹理和bimeron纹理之间的相互转换。有趣的是，此变换只改变偏振纹理，但不影响拓扑性质或斯格明子数。
图2 全光纤skyrmion发生器的光源偏振态连续调控。
（3）斯托克斯偏振变化的亚波长特性
全光纤skyrmion发生器的实验验证如图3所示，其成功实现了正交线偏振态下的零阶贝塞尔和携带涡旋相位的一阶贝塞尔分布。通过四分之一玻片进行skyrmion纹理和bimeron纹理之间的转换。实验所得斯格明子数为0.97（理想值为1），展现了该方法实现高质量skyrmion的能力。此外，该器件还实现了小于衍射极限的偏振变化特性。电磁场的偏振变化不直接受强度分布的尺寸限制，可以在更小的尺度上变化。经验证，纵向斯托克斯偏振矢量Sz随空间位置的变化尺度实现了~λ/5的亚波长尺度，在偏振相关的超分辨传感、精密测量等方面具有应用价值。
图3 全光纤skyrmion发生器的实验验证：（a）器件实物图及扫描电镜图，（b）模拟（上）和实验（下）的复振幅分布图，（c）Stokes偏振分布图：仿真（上）和实验（下），Skyrmion（左）和Bimeron（右），（d）实验的斯格明子密度分布图（左）和偏振分布图（右），（e）归一化斯托克斯矢量Sz的线图及矢量分布图。
本研究充分利用了光纤的灵活性和超构表面的高设计自由度，为拓扑稳定远距离传输的斯格明子发生器提供了高集成化的实现思路。利用超构表面的紧聚焦特性，成功实现了亚波长尺度的高质量斯托克斯斯格明子，并实现了超越衍射极限的光束偏振变化特性分布。同时，论文也讨论了将此方法进行拓展，用于设计具有不同拓扑类型的skyrmion（例如Néel、Bloch、Anti-type、和high-order类型等）以及3D hopfions等复杂结构光的方法。本文实现的光纤亚波长斯格明子发生器具有小型化和拓扑稳定传输等优势[5]，为应用于下一代光纤通信网络，实现更稳定更大容量的信息传输提供了新的机遇。
清华大学博士研究生何田田与清华大学博士毕业生孟鸢（现美国圣路易斯华盛顿大学博士后）为共同第一作者，清华大学精密仪器系、时空信息精密感知技术全国重点实验室肖起榕副教授与新加坡南洋理工大学申艺杰助理教授为论文的共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金和新加坡国家研究基金等项目的支持。
References
[1] Y. Shen, et al. Optical skyrmions and other topological quasiparticles of light. Nature Photonics 18, 15–25 (2024).
[2] A Zdagkas, et al. Observation of toroidal pulses of light. Nature Photonics 16, 523-528 (2022).
[3] L. Du, et al. Deep-subwavelength features of photonic skyrmions in a confined electromagnetic field with orbital angular momentum. Nature Physics 15, 650–654 (2019).
[4] Y. Meng, et al. Optical meta-waveguides for integrated photonics and beyond. Light: Science & Applications 10, 235 (2021).
[5] Y. Shen, et al. Nondiffracting supertoroidal pulses and optical “Kármán vortex streets. Nature Communications 15, 4863 (2024).
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54207-z
--课题组供稿
