[論文レビュー] Optical polarization skyrmionic fields in free space

Rodrigo Gutiérrez–Cuevas, Emilio Pisanty|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2021

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 82被引用数 81

ひとこと要約

本論文は、非パラキシアルなベクトルビームとステーディングウェーブ構成を用いて、自由空間における自由に伝搬する光ビームの偏光場において、初めてのロバストで位相的保護を受けるスカイミオン的構造の実現を示している。密に焦点を合わせたビームにおけるスピン-軌道結合と複素焦点形式を活用することで、円偏光におけるC-スカイミオンおよび線形偏光におけるL-スカイミオンを構築した。非線形性や減衰場を用いずに、均一な偏光と強い位相的ロバスト性を達成した。

ABSTRACT

We construct optical beams in free space with robust skyrmionic structures in their polarization fields, both in the electric spin vector for near-circular fields and in the polarization direction for near-linear fields, and for both Bloch (spiral) and N\'eel (hedgehog) textures. These structures are made possible by the spin-orbit coupling of tightly-focused nonparaxial optics as applied to higher-order Full-Poincar\'e beams, as well as by standing-wave configurations comprising forwards- and backwards-propagating waves. Our constructions show near-uniform circular and linear polarizations, providing a high degree of topological protection in the absence of nonlinear interactions.

研究の動機と目的

• 自由空間における自由に伝搬する光ビームの偏光にスカイミオン的構造が存在することを示すこと。
• 従来のスカイミオンが減衰場やプラズモン場に限定されていたという制限を克服し、伝搬する非パラキシアルビームにスカイミオンを構築すること。
• ビーム断面全体にわたり近似的に均一な円偏光および線形偏光を実現することで、高い位相的ロバスト性を達成すること。
• 非線形性や表面に閉じ込められた系にとどまらないスカイミオン的場の概念を、完全に伝搬する自由空間光ビームにまで拡張すること。
• 複素焦点形式とリチャーズ＝ウルフ理論を用いて、解析的かつ実験的に実現可能な設計を提供すること。

提案手法

• 偏光および位相を完全に制御できる、密に焦点を合わせた非パラキシアルなベクトルビームを解析的に記述するため、複素焦点（CF）形式を用いる。
• 平面波スペクトル（PWS）を全角φに依存する全球位相因子e^{imφ}によって設定することで、円対称性を持つビームを構築する。
• PWSを極座標成分（Ap）と方位角成分（Aa）に分離し、径方向、軸方向、方位角方向の場成分を独立して制御する。
• 前向きおよび後向きに伝搬するビームを重ね合わせることでステーディングウェーブ構成を採用し、ネール型スカイミオンを安定化させる。
• リチャーズ＝ウルフの回折理論を適用して、結果が標準的な光学系で実験的に実現可能であることを検証する。
• ベッセル関数および円柱調和関数を用いた明示的な場の分解を用い、C-スカイミオンおよびL-スカイミオンの完全な電場表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 減衰場や非線形場に依存せずに、伝搬する光ビームの自由空間においてスカイミオン的偏光テクスチャを実現できるか？
• RQ2 非パラキシアル光学を用いて、光の偏光においてブロッホ型およびネール型スカイミオンテクスチャを両方とも構築できるか？
• RQ3 スカイミオン的構造全体にわたり、近似的に均一な円偏光または線形偏光を達成できるか。これにより位相的ロバスト性が向上するか？
• RQ4 減衰場やプラズモン的閉じ込めを用いずに、自由空間にL-スカイミオン（線形偏光）を形成できるか？
• RQ5 標準的な光学素子と回折理論を用いて、このようなスカイミオン的場を実験的に実現できるか？

主な発見

• 著者らは、密に焦点を合わせた近似的に円偏光のビームの電磁スピンベクトルにおいて、ロバストなブロッホ型スカイミオンを構築した。焦点部において偏光が均一に近い円偏光に保たれている。
• ステーディングウェーブ構成を用いてネール型C-スカイミオンを実現した。これにより、伝搬制約がなくとも、このようなテクスチャが自由空間に存在可能であることが示された。
• ステーディングウェーブ構成において、完全に線形偏光のL-スカイミオンが達成された。これにより減衰場を回避し、伝搬ビームにおける位相的保護が可能になった。
• 楕円偏光を示す前向き伝搬ビームにおいても、主軸分布にスカイミオン的構造が存在することを示した。これにより、従来のビーム幾何学への概念の拡張が可能になった。
• 結果は複素焦点形式を用いて解析的に導出され、リチャーズ＝ウルフ回折理論とも整合することが示され、実験的実現可能性が裏付けられた。
• スカイミオン的場は、非ソリトン的であるにもかかわらず、近似的に均一な偏光のおかげで高い位相的ロバスト性を示し、摂動に対して極めて安定である。