JOPT编辑优选：斯格明子光束的自愈性

文章介绍

Haochen Guo（郭昊辰）, Trishita Das, Haijun Wu（吴海俊）, Vasu Dev, Zhihan Zhu（朱智涵） and Yijie Shen（申艺杰）

通讯作者：

• Vasu Dev，新加坡国立大学量子技术中心
• 申艺杰，新加坡南洋理工大学
• 朱智涵，哈尔滨理工大学

研究背景：

斯格明子是拓扑准粒子，最初在粒子物理学中提出，并已在多种物理系统中发现类似物，包括磁性材料和玻色-爱因斯坦凝聚体。近年来，光学斯格明子因其独特的拓扑稳定性和多维编码能力，成为光子学领域的一个有前景的研究方向。这些光束通过正交空间模式与正交偏振态的叠加而形成，在超分辨率成像、光学计量学、传感及大容量数据传输等领域具有巨大的潜力。

在光学信息传输中，由于环境因素或系统缺陷，光场中的遮挡和干扰是不可避免的，这可能导致信息的保真度降低。然而，某些结构光束（如贝塞尔光束和艾里光束）展示了自愈特性，能够在遇到障碍物后恢复其原始强度和相位分布。这引发了一个重要问题：光学斯格明子光束能否表现出类似的自愈能力？理解这一点对于光通信系统的鲁棒性和动态成像应用具有深远意义。

近期，基于贝塞尔的斯格明子光束虽展现出无衍射和自愈的潜力，但由于其无限的空间扩展性和精确的模式匹配要求，实验实现存在困难。而基于拉盖尔-高斯（LG）的斯格明子光束则提供了一个更可行且实用的替代方案。因此，本研究旨在探讨基于LG的光学斯格明子的自愈特性，研究不同类型、尺寸的障碍物及其初始拓扑属性如何影响光束在遇到障碍后恢复的能力。

通过量化斯格明子数来评估自愈特性，本研究希望解答结构光鲁棒性方面的关键问题，并为复杂环境下可靠的高维光学系统的发展奠定基础。

研究方法：

图1. 研究光学斯格明子在遇到障碍物后的自愈特性的概念框架。斯托克斯矢量（斯格明子纹理）展示了光学斯格明子的偏振分布。初始的斯格明子经过障碍物（无论是盘形还是孔径型）后，其拓扑结构受到扰动。随着斯格明子光束继续传播，它逐渐恢复到原始的结构状态。

本研究通过数值模拟和实验技术，探讨了由拉盖尔-高斯（LG）模式和正交偏振生成的光学斯格明子光束的自愈特性，如图1所示。空间光调制器（SLM）用于生成斯格明子光束，而数字微镜装置（DMD）则模拟光束路径中的各种障碍物（盘形和孔径型），如图2所示。自愈特性通过斯格明子数（Ns）进行量化，该数值是从光束的斯托克斯矢量分布中推导出的。

图2. 用于研究光学斯格明子光束自愈的实验装置。

由空间光调制器（SLM）生成的正交拉盖尔-高斯（LG）模式通过萨尼亚克干涉仪叠加，产生光学斯格明子光束，数字微镜装置（DMD）用于选择性地遮挡这些光束的部分区域。PBS，偏振光束分离器；L1、L2、L3、L4，平凸透镜；M1、M2，镜面；SF，空间滤波器；HWP，半波片；QWP，四分之一波片。

结果：

1. 障碍物类型与大小的影响：

• 相比于被孔径型障碍物遮挡边缘部分，光学斯格明子束在被盘形障碍物遮挡中心部分时能够更好地实现自愈。
• 对于半径分别为0.2R、0.3R和0.4R的盘形障碍物，斯格明子数最初下降，但在传播过程中显著恢复，经过1.2倍瑞利距离的传播后，斯格明子数接近原始值（如图3所示）。
• 相比之下，光学斯格明子束在经过孔径型障碍物表现的自愈能力更弱，因为其损失了重建细微结构细节所需的高频空间分量。

图3. 斯格明子光束的斯托克斯矢量实验结果，初始斯格明子数Ns=4，遇到半径为(a1)-(d1) a = 0.2R、(e1)-(h1)、(a2)-(d2) a = 0.3R 和 (i1)-(l1)、(e2)-(h2) a = 0.4R 的盘形与孔径型障碍物。每一行对应传播距离 z = 0 到 z = 1.2zR。

2. 初始斯格明子数的影响：

• 初始斯格明子数较高的光束（Ns=4）相比于初始数值较低的光束（Ns =1-3）表现出更好的自愈能力。
• 即使是遇到边缘障碍物（孔径型），较高的斯格明子数也有助于更好的自愈。

3. 定量分析：

• 斯格明子数随传播距离的变化表明，自愈过程是非单调的。在初次阻挡后，衍射引起的高阶模式相互干扰，但在较长传播距离下，斯格明子数会增加并趋于常值。
• 较大的障碍物会降低自愈效率，但对于盘形障碍物，光学斯格明子光束表现出更好的自愈特性。

意义：

本研究通过实验验证，证明了大多数常见的光学斯格明子光束（由拉盖尔-高斯模式生成）在拓扑结构上的自愈特性。研究结果对光通信系统具有重要应用意义，因为在实际应用中光束的遮挡与干扰是不可避免的。斯格明子光束的自愈能力确保即使在复杂或受阻的环境中，信息也能得以恢复。

此外，本研究还为光学斯格明子光束的实际应用提供了指导，提出了在高维数据传输、超分辨率成像和光学传感等领域的新可能性。研究结果展示了光学斯格明子的鲁棒性，使其在复杂的现实环境中成为下一代光学技术的有力选择。

作者介绍

• 2023年影响因子：2.0  Citescore: 4.5
• Journal of Optics（JOPT）出版光学方面的实验和理论研究论文，研究领域包括：纳米光子学和等离激元光子学；超构材料和结构化光子材料；量子光子学；生物光子学；光与物质的相互作用；非线性和超快光学；光的传播、衍射和散射；信息和通信光学；集成光学；光伏和能量收集。除原创性研究外，JOPT还出版专题综述，为研究人员带来高质量的内容。所有JOPT文章还提供HTML阅读模式，方便研究人员使用手机或平板进行阅读。