Spatially variant arbitrary polarization shaping for optical skyrmions generation

Resumen Técnico: Modelado de Polarización Arbitraria Espacialmente Variante para la Generación de Skyrmiones Ópticos

Planteamiento del Problema
La polarización es un grado de libertad fundamental de la luz, esencial para aplicaciones que van desde la imagenología hasta la óptica cuántica. Si bien las plataformas existentes pueden manipular espacialmente la orientación de la polarización para generar haces vectoriales (por ejemplo, haces con polarización radial o azimutal), lograr el control simultáneo y espacialmente resuelto tanto de la orientación de la polarización ($\psi$) como de la elipticidad ($\chi$) sigue siendo un desafío significativo. Esta limitación impide la generación de un control de "Poincaré completo", el cual es un requisito previo para crear campos de luz topológicos complejos, específicamente skyrmiones ópticos. Los métodos actuales para generar skyrmiones ópticos suelen depender de sistemas de modulación de luz espacial sofisticados y voluminosos, o bien enfrentan dificultades de fabricación al intentar prescribir distribuciones de retardancia arbitrarias en dispositivos compactos.

Metodología
Los autores proponen y demuestran una plataforma compacta para la generación de estados de polarización arbitrarios espacialmente variantes en el espacio libre, utilizando retardadores espacialmente variantes (S-WP) en cascada, fabricados dentro de un único sustrato de vidrio de sílice mediante la escritura directa por láser ultrafast.

• Estrategia de Diseño: El equipo derivó reglas de diseño analíticas que vinculan los parámetros de polarización objetivo ($\psi$ y $\chi$) con las distribuciones del eje rápido de los retardadores utilizando el formalismo del vector de Stokes y el análisis de la matriz de Müller. Propusieron dos configuraciones:
  1. Una placa de media onda espacialmente variante (S-HWP) seguida de una placa de cuarto de onda espacialmente variante (S-QWP) con luz incidente polarizada horizontalmente.
  2. Dos placas de cuarto de onda espacialmente variantes (S-QWPs) en cascada con luz incidente con polarización circular a la derecha (RCP).
• Fabricación: Los autores seleccionaron la configuración de dos S-QWPs en cascada como la solución principal. Este enfoque fue elegido porque la fabricación de una S-HWP requiere aproximadamente el doble de tiempo de procesamiento e introduce artefactos visibles de escritura láser (líneas horizontales oscuras). Las S-QWPs se escribieron en vidrio de sílice utilizando un láser de femtosegundo de Yb:KGW (1030 nm, 400 fs). El proceso de escritura induce modificaciones birefringentes mediante la formación de nanoporos anisotrópicos (40–50 nm de ancho) elongados perpendicularmente a la polarización del láser de escritura. Se apilaron dos capas de estas modificaciones para lograr la retardancia de cuarto de onda requerida (~130 nm) para luz de 532 nm.
• Caracterización: Los dispositivos fabricados fueron caracterizados utilizando un sistema comercial de medición de birrefringencia y un montaje de imagen con resolución de polarización. Los campos de salida fueron analizados capturando imágenes de intensidad de seis componentes de polarización ($I_0, I_{45}, I_{90}, I_{135}, I_L, I_R$) bajo diversos estados de polarización incidentes.

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio demuestra con éxito la generación de diversos skyrmiones ópticos y texturas de polarización complejas con alta fidelidad entre la simulación y el experimento.

• Generación de Skyrmiones: Los autores generaron skyrmiones de tipo Néel, de tipo Bloch y anti-skyrmiones. Los dispositivos produjeron con éxito skyrmiones con diferentes cargas topológicas (órdenes), incluyendo skyrmiones de tipo Néel de segundo orden ($N_{sk}=2$) y cuarto orden ($N_{sk}=4$).
• Variaciones de Textura: La plataforma realizó texturas de $n$-$\pi$, específicamente skyrmiones de tipo Néel de $2\pi$ y $3\pi$, donde el giro de la polarización radial se acumula a $n\pi$.
• Conmutación de Helicidad: El sistema demostró la capacidad de conmutación dependiente de la helicidad; revertir la luz incidente de RCP a polarización circular a la izquierda (LCP$)$ invirtió el número de skyrmion de $N_{sk}=+1$ a $N_{sk}=-1$ preservando la textura de tipo Néel.
• Fabricación de Matrices: Los autores demostraron la escalabilidad del enfoque mediante la fabricación de matrices de 3$\times$3 de skyrmiones ópticos. Estas incluyeron matrices de skyrmiones de tipo Néel idénticos y matrices híbridas que combinan skyrmiones de tipo Néel y Bloch con números topológicos variables ($N_{sk}=1, 2, 3$).
• Validación Experimental: En todos los casos, las imágenes de los componentes de polarización medidas mostraron un excelente acuerdo con las simulaciones teóricas, confirmando la precisión de las reglas de diseño analíticas y el proceso de fabricación.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma presentar una ruta general para la generación de campos de polarización arbitrarios con resolución espacial, utilizando los skyrmiones ópticos como muestra de exhibición. Su principal significancia radica en:

1. Formulación Analítica: Hasta donde llega el conocimiento de los autores, este es el primer trabajo en formular la generación de skyrmiones ópticos en el espacio libre como un problema de modelado de polarización arbitraria resuelto específicamente con retardadores espacialmente variantes en cascada.
2. Compacidad y Escalabilidad: El uso de una única placa de vidrio de sílice con escritura por láser ultrafast ofrece una alternativa compacta a los moduladores espaciales de luz voluminosos. El enfoque permite la creación de redes de skyrmiones escalables (por ejemplo, matrices de 3$\times$3).
3. Potencial Futuro: Los autores sugieren que el alto umbral de daño óptico de los dispositivos basados en sílice los hace compatibles con haces de láser de femtosegundo de alta potencia en UV e infrarrojo. Esta compatibilidad abre vías potenciales para la generación de haces de skyrmion de alta potencia para aplicaciones como la fusión por confinamiento inercial impulsada por láser y la generación de armónicos de alto orden para producir campos de skyrmion de attosegundo en el extremo ultravioleta. Además, se identifica el grado de libertad topológico de estos skyrmiones como un canal potencial para el almacenamiento de datos ópticos multidimensionales.