Spatially variant arbitrary polarization shaping for optical skyrmions generation

Résumé technique : Mise en forme de la polarisation arbitraire spatialement variante pour la génération de skyrmions optiques

Énoncé du problème
La polarisation est un degré de liberté fondamental de la lumière, essentiel pour des applications allant de l'imagerie à l'optique quantique. Bien que les plateformes existantes puissent manipuler spatialement l'orientation de la polarisation pour générer des faisceaux vectoriels (par exemple, des faisceaux à polarisation radiale ou azimutale), parvenir à un contrôle simultané et spatialement résolu de l'orientation de la polarisation ($\psi$) et de l'ellipticité ($\chi$) reste un défi majeur. Cette limitation entrave la génération de contrôles « pleine-Poincaré », ce qui est une condition préalable à la création de champs lumineux topologiques complexes, spécifiquement les skyrmions optiques. Les méthodes actuelles pour générer des skyrmions optiques reposent souvent sur des systèmes de modulation spatiale de la lumière sophistiqués et encombrants, ou se heurtent à des difficultés de fabrication lorsqu'il s'agit de prescrire des distributions de retard arbitraires dans des dispositifs compacts.

Méthodologie
Les auteurs proposent et démontrent une plateforme compacte pour la génération d'états de polarisation arbitraires spatialement variants en espace libre, utilisant des lames à retard spatialement variantes (S-WP) en cascade, fabriquées au sein d'un substrat unique de verre de silice par écriture laser ultrafaste.

• Stratégie de conception : L'équipe a dérivé des règles de conception analytiques reliant les paramètres de polarisation cibles ($\psi$ et $\chi$) aux distributions d'axes rapides des lames à retard en utilisant le formalisme des vecteurs de Stokes et l'analyse de la matrice de Müller. Ils ont proposé deux configurations :
  1. Une lame demi-onde spatialement variante (S-HWP) suivie d'une lame quart d'onde spatialement variante (S-QWP) avec une lumière incidente polarisée horizontalement.
  2. Deux lames quart d'onde spatialement variantes (S-QWP) en cascade avec une lumière incidente polarisée circulairement à droite (RCP).
• Fabrication : Les auteurs ont sélectionné la configuration à deux S-QWP en cascade comme solution principale. Cette approche a été choisie car la fabrication d'une S-HWP nécessite environ deux fois plus de temps de traitement et introduit des artefacts de rédaction laser visibles (lignes horizontales sombres). Les S-QWP ont été écrites dans du verre de silice à l'aide d'un laser femtoseconde Yb:KGW (1030 nm, 400 fs). Le processus d'écriture induit des modifications biréfringentes par la formation de nanopores anisotropes (40–50 nm de large) allongés perpendiculairement à la polarisation du laser d'écriture. Deux couches de ces modifications ont été empilées pour atteindre le retard de quart d'onde requis (~130 nm) pour une lumière à 532 nm.
• Caractérisation : Les dispositifs fabriqués ont été caractérisés à l'aide d'un système de mesure de biréfringence commercial et d'un dispositif d'imagerie résolu en polarisation. Les champs de sortie ont été analysés en capturant des images d'intensité de six composantes de polarisation ($I_0, I_{45}, I_{90}, I_{135}, I_L, I_R$) sous diverses états de polarisation incidents.

Contributions clés et résultats
L'étude démontre avec succès la génération de divers skyrmions optiques et de textures de polarisation complexes avec une haute fidélité entre la simulation et l'expérience.

• Génération de skyrmions : Les auteurs ont généré des skyrmions de type Néel, de type Bloch et des anti-skyrmions. Les dispositifs ont produit avec succès des skyrmions avec différents nombres topologiques (ordres), incluant des skyrmions de type Néel d'ordre second ($N_{sk}=2$) et d'ordre quatre ($N_{sk}=4$).
• Variations de texture : La plateforme a réalisé des textures $n$-$\pi$, spécifiquement des skyrmions de type Néel de $2\pi$ et $3\pi$, où la torsion de la polarisation radiale s'accumule à $n\pi$.
• Commutation d'hélicité : Le système a démontré une commutabilité dépendante de l'hélicité ; inverser la lumière incidente de RCP à une polarisation circulaire gauche (LCP) a inversé le nombre de skyrmion de $N_{sk}=+1$ à $N_{sk}=-1$ tout en préservant la texture de type Néel.
• Fabrication de réseaux : Les auteurs ont démontré la scalabilité de l'approche en fabriquant des réseaux 3$\times$3 de skyrmions optiques. Ceux-ci comprenaient des réseaux de skyrmions de type Néel identiques et des réseaux hybrides combinant des skyrmions de type Néel et de type Bloch avec des nombres topologiques variables ($N_{sk}=1, 2, 3$).
• Validation expérimentale : Dans tous les cas, les images des composantes de polarisation mesurées ont montré un excellent accord avec les simulations théoriques, confirmant l'exactitude des règles de conception analytiques et du processus de fabrication.

Signification et affirmations
L'article affirme présenter une voie générale vers des champs de polarisation arbitraires spatialement résolus, en utilisant les skyrmions optiques comme vitrine. Sa principale importance réside dans :

1. Formulation analytique : À la connaissance des auteurs, c'est le premier travail formulant la génération de skyrmions optiques en espace libre comme un problème de mise en forme de polarisation arbitraire résolu spécifiquement avec des lames à retard spatialement variantes en cascade.
2. Compacité et scalabilité : L'utilisation d'une plaque de silice unique par écriture laser ultrafaste offre une alternative compacte aux modulateurs spatiaux de lumière encombrants. L'approche permet la création de réseaux de skyrmions scalables (par exemple, des réseaux 3$\times$3).
3. Potentiel futur : Les auteurs suggèrent que le seuil de dommage optique élevé des dispositifs à base de silice les rend compatibles avec des faisceaux femtosecondes de haute puissance dans l'UV et l'infrarouge. Cette compatibilité ouvre des voies potentielles pour la génération de faisceaux de skyrmions de haute puissance pour des applications telles que la fusion par confinement inertiel pilotée par laser et la génération d'harmoniques d'ordre élevé pour produire des champs de skyrmions attoseconde dans l'extrême ultraviolet. De plus, le degré de liberté topologique de ces skyrmions est identifié comme un canal potentiel pour le stockage de données optiques multidimensionnelles.