Spatially variant arbitrary polarization shaping for optical skyrmions generation

Sintesi Tecnica: Modellazione della Polarizzazione Arbitraria Spazialmente Variabile per la Generazione di Skyrmion Ottici

Definizione del Problema
La polarizzazione è un grado di libertà fondamentale della luce, essenziale per applicazioni che spaziano dall'imaging all'ottica quantistica. Sebbene le piattaforme esistenti possano manipolare spazialmente l'orientamento della polarizzazione per generare fasci vettoriali (ad esempio, fasci con polarizzazione radiale o azimutale), ottenere il controllo simultaneo e spazialmente risolto sia dell'orientamento della polarizzazione ($\psi$) che dell'ellitticità ($\chi$) rimane una sfida significativa. Questa limitazione ostacola la generazione di un controllo "full-Poincaré", che è un prerequisito per creare campi di luce topologici complessi, specificamente gli skyrmion ottici. I metodi attuali per generare skyrmion ottici si affidano spesso a sistemi di modulazione spaziale della luce sofisticati e ingombranti o affrontano difficoltà di fabbricazione quando si tenta di prescrivere distribuzioni di ritardo arbitrarie in dispositivi compatti.

Metodologia
Gli autori propongono e dimostrano una piattaforma compatta per la generazione di stati di polarizzazione arbitrari spazialmente variabili in spazio libero, utilizzando lamine d'onda spazialmente variabili (S-WP) in cascata, fabbricate all'interno di un singolo substrato di vetro di silice tramite scrittura diretta con laser ultrafast.

• Strategia di Design: Il team ha derivato regole di progettazione analitiche che collegano i parametri di polarizzazione target ($\psi$ e $\chi$) alle distribuzioni degli assi rapidi delle lamine d'onda utilizzando il formalismo dei vettori di Stokes e l'analisi della matrice di Müller. Hanno proposto due configurazioni:
  1. Una semilamina d'onda spazialmente variabile (S-HWP) seguita da una lamina d'onda a quarto d'onda spazialmente variabile (S-QWP) con luce incidente polarizzata orizzontalmente.
  2. Due lamine d'onda a quarto d'onda spazialmente variabili (S-QWP) in cascata con luce incidente a polarizzazione circolare destra (RCP).
• Fabbricazione: Gli autori hanno selezionato la configurazione con due S-QWP in cascata come soluzione primaria. Questo approccio è stato scelto perché la fabbricazione di una S-HWP richiede circa il doppio del tempo di lavorazione e introduce artefatti visibili della scrittura laser (linee orizzontali scure). Le S-QWP sono state scritte nella silice utilizzando un laser a femtosecondi Yb:KGW (1030 nm, 400 fs). Il processo di scrittura induce modifiche birefringenti attraverso la formazione di nanopori anisotropi (larghi 40–50 nm) allungati perpendicolarmente alla polarizzazione del laser di scrittura. Due strati di queste modifiche sono stati sovrapposti per ottenere il ritardo richiesto di un quarto d'onda (~130 nm) per la luce a 532 nm.
• Caratterizzazione: I dispositivi fabbricati sono stati caratterizzati utilizzando un sistema commerciale di misura della birifrangenza e un setup di imaging risolto in polarizzazione. I campi in uscita sono stati analizzati catturando immagini di intensità di sei componenti di polarizzazione ($I_0, I_{45}, I_{90}, I_{135}, I_L, I_R$) sotto varie polarizzazioni incidenti.

Contributi Chiave e Risultati
Lo studio dimostra con successo la generazione di diversi skyrmion ottici e texture di polarizzazione complesse con un'elevata fedeltà tra simulazione e sperimento.

• Generazione di Skyrmion: Gli autori hanno generato skyrmion di tipo Néel, di tipo Bloch e anti-skyrmion. I dispositivi hanno prodotto con successo skyrmion con diversi carichi topologici (ordini), inclusi skyrmion di tipo Néel di secondo ordine ($N_{sk}=2$) e quarto ordine ($N_{sk}=4$).
• Variazioni di Texture: La piattaforma ha realizzato texture $n$-$\pi$, specificamente skyrmion di tipo Néel da $2\pi$ e $3\pi$, dove la torsione della polarizzazione radiale si accumula a $n\pi$.
• Commutazione di Helicidità: Il sistema ha dimostrato la commutabilità dipendente dall'elicidità; invertendo la luce incidente da RCP a polarizzazione circolare sinistra (LCP), il numero dello skyrmion è passato da $N_{sk}=+1$ a $N_{sk}=-1$ preservando la texture di tipo Néel.
• Fabbricazione di Array: Gli autori hanno dimostrato la scalabilità dell'approccio fabbricando array 3$\times$3 di skyrmion ottici. Questi includevano array di skyrmion di tipo Néel identici e array ibridi combinando skyrmion di tipo Néel e di tipo Bloch con diversi numeri topologici ($N_{sk}=1, 2, 3$).
• Validazione Sperimentale: In tutti i casi, le immagini delle componenti di polarizzazione misurate hanno mostrato un eccellente accordo con le simulazioni teoriche, confermando l'accuratezza delle regole di progettazione analitiche e del processo di fabbricazione.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo sostiene di presentare una via generale per la modellazione spazialmente risolta di campi di polarizzazione arbitrari, utilizzando gli skyrmion ottici come vetrina. La sua importanza primaria risiede in:

1. Formulazione Analitica: Per quanto ne sappiano gli autori, questo è il primo lavoro a formulare la generazione di skyrmion ottici in spazio libero come un problema di modellazione della polarizzazione arbitraria risolto specificamente con lamine d'onda spazialmente variabili in cascata.
2. Compattezza e Scalabilità: L'uso di una singola piastra di silice con scrittura laser ultrafast offre un'alternativa compatta ai voluminosi modulatori spaziali di luce. L'approccio supporta la creazione di reticoli di skyrmion scalabili (ad esempio, array 3$\times$3).
3. Potenziale Futuro: Gli autori suggeriscono che l'alto limite di danno ottico dei dispositivi basati su silice li rende compatibili con fasci femtosecondo UV e infrarossi ad alta potenza. Questa compatibilità apre potenziali percorsi per la generazione di fasci skyrmion ad alta potenza per applicazioni come la fusione a confinamento inerziale guidata dal laser e la generazione di armoniche di ordine superiore per produrre campi skyrmion attosecond in estremo ultravioletto. Inoltre, il grado di libertà topologico di questi skyrmion è identificato come un potenziale canale per l'archiviazione di dati ottici multidimensionali.