[论文解读] Generation and control of extreme ultraviolet free-space optical skyrmions with high harmonic generation

Yiqi Fang, Yunquan Liu|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2023

Laser-Matter Interactions and ApplicationsPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种理论框架，通过使用双色全庞加莱光束进行高次谐波产生（HHG），实现对极端紫外（EUV）自由空间光学自旋子的生成与调控。通过利用HHG中的空间分辨自旋约束，自旋子数和拓扑结构（如Bloch型、Néel型、反型、高阶型）可通过驱动光束的几何参数实现控制，从而实现对EUV自旋子结构的高精度全调控。

ABSTRACT

Optical skyrmion serves as a crucial interface between optics and topology. Recently, it has attracted great interest in linear optics. Here, we theoretically introduce a framework for the all-optical generation and control of freespace optical skyrmions in extreme ultraviolet regions via high harmonic generation. We show that by employing full Poincare beams, the created extreme ultraviolet fields manifest as skyrmionic structures in Stokes vector fields, whose skyrmion number is relevant to harmonic orders. We reveal that the generation of skyrmionics structure is attributed to spatial-resolved spin constraint of high harmonic generation. Through qualifying the geometrical parameters of full Poincaré beams, the topological texture of extreme ultraviolet fields can be completely manipulated, generating the Bloch-type, Neel-type, anti-type, and higher-order skyrmions, etc. This work promotes the investigation of topological optics in optical highly nonlinear processes, with potential applications towards ultrafast spintronics with structured light fields.

研究动机与目标

• 解决自由空间中极端紫外光学自旋子生成与调控方法缺乏的问题。
• 克服高次谐波产生中偏振控制的挑战，以实现结构化EUV场的生成。
• 证明HHG可作为极端紫外波段生成自旋子拓扑结构的非线性平台。
• 建立一种基于全庞加莱光束的稳健、几何可调的控制方案，用于实现任意EUV自旋子拓扑结构。
• 探索EUV自旋子在超快自旋电子学与纳米尺度计量学中的潜力。

提出的方法

• 采用双色全庞加莱光束——特别是圆柱形涡旋矢量光束（CVVBs）——作为驱动场，波长分别为800 nm和400 nm，用于高次谐波产生（HHG）。
• 定义几何参数向量 ηω = (ℓω, ℓ′ω, |u′ω|/|uω|, arg(u′ω) − arg(uω))，以表征驱动光束的空间与偏振结构。
• 利用HHG将驱动场上转换至极端紫外（EUV）波段，生成的EUV场在其斯托克斯矢量场中表现出自旋子拓扑结构。
• 通过计算斯托克斯矢量分布的极性和涡旋性，分析EUV场的拓扑特性，进而确定自旋子数Q。
• 引入混合阶庞加莱球对（HyOPSP），以可视化和调控谐波阶次与偏振态之间的相互作用。
• 证明自旋子数与拓扑结构类型（如Bloch型、Néel型、反型）由驱动光束的几何参数ηω直接决定。

实验结果

研究问题

• RQ1 高次谐波产生能否用于在极端紫外（EUV）波段生成自由空间光学自旋子？
• RQ2 HHG中的空间分辨自旋约束如何导致EUV场中自旋子结构的形成？
• RQ3 通过调节驱动全庞加莱光束的几何参数，EUV自旋子的拓扑结构（如Bloch型、Néel型、反型）能在多大程度上实现控制？
• RQ4 在HHG产生的EUV场中，谐波阶次与自旋子数之间存在何种关系？
• RQ5 混合阶庞加莱球对（HyOPSP）能否提供一个系统化的框架，用于设计与预测EUV自旋子拓扑结构？

主要发现

• 生成的EUV场在其斯托克斯矢量场中表现出清晰的自旋子结构，自旋子数Q与谐波阶次直接相关。
• 自旋子数Q由斯托克斯矢量分布的极性和涡旋性决定，已实现Q = 1、−1、3和−3的不同构型。
• 通过调节双色全庞加莱光束的几何参数ηω，成功生成了Bloch型、Néel型、反型以及高阶自旋子（如Q = 3）结构。
• 自旋子拓扑结构由ηω的前两个参数（ℓω, ℓ′ω）控制，分别决定极性和涡旋性；后两个参数（振幅比与相位差）则影响结构类型（如Néel型与Bloch型的区分）。
• 当驱动光束不满足ηω约束规则时，EUV场无法形成自旋子，证实了精确参数控制的必要性。
• 双色HHG方案相比单色驱动提供了更多自由度，实现了对EUV自旋子三维斯托克斯参数分布的精细调控。