[论文解读] Topological Transformation and Free-Space Transport of Photonic Hopfions

Yijie Shen, Bing‐Shi Yu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 11

一句话总结

本文提出并通过实验展示了可重构的高阶光学生霍普夫子，其具有任意高阶霍普夫指标和可调的拓扑纹理——包括Néel型、Bloch型和反自旋子型——通过具有定制偏振的拉盖尔-高斯光束的叠加实现。此外，通过控制戈伊相位，实现了这些拓扑保护结构在自由空间中的鲁棒传输，为拓扑光学信息传输与通信提供了潜在应用。

ABSTRACT

Structured light fields embody strong spatial variations of polarisation, phase and amplitude. Understanding, characterization and exploitation of such fields can be achieved through their topological properties. Three-dimensional (3D) topological solitons, such as hopfions, are 3D localized continuous field configurations with nontrivial particle-like structures, that exhibit a host of important topologically protected properties. Here, we propose and demonstrate photonic counterparts of hopfions with exact characteristics of Hopf fibration, Hopf index, and Hopf mapping from real-space vector beams to homotopic hyperspheres representing polarisation states. We experimentally generate photonic hopfions with on-demand high-order Hopf indices and independently controlled topological textures, including Néel-, Bloch-, and anti-skyrmionic types. We also demonstrate a robust free-space transport of photonic hopfions, thus, showing potential of hopfions for developing optical topological informatics and communications.

研究动机与目标

• 实验实现具有任意拓扑纹理和高阶霍普夫指标的可重构光学生霍普夫子。
• 在保持其拓扑结构的前提下，演示霍普夫子在自由空间中的传播。
• 建立一种通过相位工程在自由空间中动态控制霍普夫子中心空间位置的方法。
• 通过实验与理论对比偏振纹理，验证光学生霍普夫子的拓扑鲁棒性。
• 探索霍普夫子作为经典与量子光学信息传输的拓扑载体的潜力。

提出的方法

• 通过具有定制偏振图案的拉盖尔-高斯（LG）光束叠加，构建光学生霍普夫子，以生成具有非平凡自旋纹理的三维矢量场。
• 利用霍普夫纤维化映射将实空间矢量场与同伦超球面关联，实现通过霍普夫指标和拓扑荷的表征。
• 通过调节相位参数φ控制戈伊相位，该相位介导模内相位，从而实现霍普夫子中心沿z轴的受控传播。
• 利用全数字、高精度的空间光调制器生成复杂矢量场，实现按需的拓扑纹理。
• 通过斯托克斯参数和庞加莱球表示法，在横截面平面（xy和yz）上表征偏振分布，以验证自旋子态和环结结构。
• 基于从LG模阶数导出的(p,q)指标，利用闭式表达式对环结构型进行理论模拟，将实验结果与之对比验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过实验生成具有任意高阶霍普夫指标的光学生霍普夫子，并对其拓扑特性进行表征？
• RQ2 Néel型、Bloch型和反自旋子型拓扑纹理能否在光学生霍普夫子中独立且可控地实现？
• RQ3 如何在保持其拓扑完整性的同时实现霍普夫子在自由空间中的传播？
• RQ4 戈伊相位在多大程度上影响自由空间中霍普夫子中心的空间动力学？
• RQ5 能否通过受控传输和纹理变换的实验，验证光学生霍普夫子的拓扑鲁棒性？

主要发现

• 作者通过ℓ > 1的拉盖尔-高斯光束叠加，实验生成了霍普夫指标达|QH| = 3的光学生霍普夫子，包括正负值。
• 成功实现了Néel型-I、Bloch型、Néel型-II和反型纹理，其在xy和yz平面上的斯托克斯参数分布与理论预测高度一致。
• 展示了具有环结构型(p,q) = (2,1)、(-2,1)和(3,2)的高阶霍普夫子，其拓扑荷为QH = ±p×q。
• 通过将相位参数φ从-π/2调节至π/2，成功将霍普夫子中心从z = -zR可控地传输至z = zR，证实了拓扑结构保持不变的自由空间传播。
• 理论与实验在xz平面上的偏振分布显示出一致的环结演化与涡旋模式，验证了戈伊相位介导的传播机制。
• 本研究首次实现了可重构、高阶光学生霍普夫子的实验实现，具备完整的拓扑纹理控制与鲁棒的自由空间传输能力，为拓扑光学信息处理开辟了新途径。