[论文解读] 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 81

一句话总结

本论文首次在自由空间中实现了一类鲁棒、拓扑保护的Skyrmion结构，其存在于自由传播光学束的偏振场中，采用非傍轴矢量光束与驻波构型。通过利用强聚焦光束中的自旋-轨道耦合及复杂焦点形式，作者构建了C-Skyrmion（圆偏振中）与L-Skyrmion（线偏振中），在无非线性效应或倏逝场的条件下，实现了近似均匀的偏振与强拓扑鲁棒性。

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.

研究动机与目标

• 证明自由空间中自由传播光学束的偏振中存在Skyrmion结构。
• 通过在传播、非傍轴光束中构建Skyrmion，克服先前Skyrmion局限于倏逝场或等离子场的局限性。
• 通过在光束剖面中实现近似均匀的圆偏振与线偏振，获得高拓扑鲁棒性。
• 将Skyrmionic场的概念从非线性或表面受限系统扩展至完全传播、自由空间的光学束。
• 提供基于复焦点形式与Richards-Wolf理论的解析且可实验实现的设计。

提出的方法

• 使用复焦点（CF）形式，解析描述具有完整偏振与相位控制能力的强聚焦、非傍轴矢量光束。
• 通过将平面波谱（PWS）仅依赖于方位角的全局相位因子 e^{imφ}，构建具有柱对称性的光束。
• 将PWS分离为极向（Ap）与方位向（Aa）分量，以独立控制径向、纵向与方位向场分量。
• 通过叠加前向与后向传播光束，采用驻波构型，稳定Néel型Skyrmion。
• 应用Richards-Wolf衍射理论，验证结果可在标准光学装置中实验实现。
• 通过显式场分解，结合贝塞尔函数与柱对称谐函数，推导出C-Skyrmion与L-Skyrmion的完整电场表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在不依赖倏逝场或非线性场的条件下，在自由传播光学束中实现Skyrmionic偏振纹理？
• RQ2 是否可利用非傍轴光学在光的偏振中构建Bloch与Néel型Skyrmion纹理？
• RQ3 是否可能在Skyrmionic结构中实现近似均匀的圆偏振或线偏振，从而增强其拓扑鲁棒性？
• RQ4 是否可无倏逝场或等离子体约束地在自由空间中形成L-Skyrmion（线偏振中）？
• RQ5 此类Skyrmionic场是否可使用标准光学元件与衍射理论实现？

主要发现

• 作者在强聚焦、近圆偏振的光束电自旋矢量中构建了鲁棒的Bloch Skyrmion，焦点处偏振近似均匀为圆偏振。
• 通过驻波构型实现了Néel型C-Skyrmion，证明此类纹理可在无传播约束的自由空间中存在。
• 在驻波构型中实现了具有完美线偏振的L-Skyrmion，避免了倏逝场，使传播光束中的拓扑保护成为可能。
• 前向传播的椭圆偏振光束在主轴分布中也支持Skyrmionic结构，将该概念扩展至常规光束几何。
• 结果通过复焦点形式进行了解析推导，并与Richards-Wolf衍射理论相容，证实了实验可行性。
• 由于近似均匀的偏振，Skyrmionic场表现出高拓扑鲁棒性，尽管其非孤子性，仍对扰动具有高度稳定性。