Optical skyrmion lattices accelerating in free space

技术摘要：自由空间中加速的旋涡斯格明子晶格（Optical Skyrmion Lattices）

问题陈述
尽管光学斯格明子（具有非平凡拓扑结构的矢量结构光）已成功实现生成并在自由空间中展示了传播特性，但现有的实验观察仅限于直线传播。在控制这些拓扑结构沿曲线轨迹进行空间加速方面存在显著的技术空白。这种控制能力被认为是实现信息分类与传输等高级应用的关键，但在保持拓扑稳定性方面仍是一个挑战。

方法论
本研究通过使用旁轴光束来生成加速的斯格明子晶格来解决这一空白。其核心方法涉及正交偏振艾里光束（Airy beams）与涡旋艾里光束（Vortex Airy beams）的不可分叠加。

• 理论构建： 研究人员利用了艾里光束的独特属性，即其表现出非衍射、自加速的强度分布。通过对高斯光束进行三次相位调制，他们创建了有限能量的艾里光束。在这一过程中引入涡旋相位，从而生成互补的涡旋艾里光束。这些正交偏振组分（右旋圆偏振和左旋圆偏振）的叠加产生了一个归一化的斯托克斯矢量分布，从而形成了周期性的斯格明子晶格。
• 实验装置： 实验采用了一个自锁偏振马赫-曾德尔干涉仪。532 nm 激光被分成两路正交偏振光束，并导向空间光调制器（SLM）。SLM 利用与所需的艾里光束及涡旋艾里光束的傅里叶变换相对应的复振幅全息图对光束进行调制。光束位移器将两路光束重新组合，随后通过四分之一波片和傅里叶透镜在傅里叶平面重建矢量光束。
• 测量： 采用集成在全息图中的数字传播技术记录传播层析图像，从而消除了物理相机平移的需求。通过结合偏振片的相机进行空间斯托克斯层析成像，以捕捉斯托克斯空间中的晶格结构。

主要贡献

1. 首次演示加速斯格明子晶格： 本文展示了首次实验实现由艾里结构光承载、沿抛物线轨迹加速的斯格明子晶格。
2. 拓扑稳定性分析： 研究量化了这些晶格在传播过程中的拓扑稳定性。结果表明，在 $\pm 1.22 z_R$ 的传播范围内（其中 $z_R$ 为瑞利长度），斯格明子单元保持了 $|N_{sk}| > 0.9$ 的斯格明子数。
3. 发现增强的梅隆（Meron）鲁棒性： 一个显著的发现是梅隆结构（占据斯格明子纹理核心区域的部分）具有更优越的稳定性。尽管周围的晶格发生退化，但梅隆晶格在 $\pm 3.06 z_R$ 的显著延长范围内仍保持着约 $-0.5$的稳定斯格明子数（其中$|N_{sk}|$在$0.5 \pm 0.02$ 范围内保持稳定）。
4. 机制阐明： 本工作阐明了不同传播平面间布洛赫型（Bloch-type）与内尔型（Néel-type）纹理之间的转换归因于古伊相位（Gouy phase）的累积，而自加速行为则继承自底层的艾里光束组分。

结果
实验结果表明，虽然组成部分的艾里光束和涡旋艾里光束的周期性强度分布会随传播距离而退化（特别是涡旋晶格在 $z = 100$ mm 时变得难以辨认），但拓扑结构表现出了韧性。

• 斯格明子晶格： 在傅里叶平面（$z=0$）处，观察到了完美的周期性斯托克斯矢量和斯格明子密度分布。随着传播距离增加，晶格发生形变，$S_3=1$ 的区域缩小，导致异常正斯格明子密度的出现。然而，其拓扑完整性依然稳健（$|N_{sk}| > 0.9$），持续范围为 $\pm 1.22 z_R$。
• 梅隆晶格： 梅隆结构表现出更强的韧性，在 $\pm 3.06 z_R$ 范围内保持其拓扑身份。这种稳定性是以牺牲斯格明子结构的外部区域为代价的，外部区域退化更为迅速。

意义
作者声称，这项工作为拓扑鲁棒的信息分布、粒子分类和操控提供了一种新的潜在载体。通过证明光学斯格明子可以被控制沿曲线轨迹加速并保持拓扑稳定性，该研究为结构光研究开辟了新方向。研究结果表明，这些加速晶格适用于非平凡的光-物质相互作用，能够利用其自修复特性和复杂的拓扑结构。该工作为未来探索先进显微术、等离子体通道诱导和电子束操控奠定了基础，尽管论文将其明确界定为由该演示平台所赋能的潜在未来应用。