近日，物理学院杨元杰教授团队将经典泊松亮斑与结构光结合，发现仅采用简单的泊亮斑体系，即可同步生成Stokes参量、自旋、电场和磁场四种自由度的光学斯格明子。该成果以“Opticalskyrmions in Poisson spots”为题发表于光学类顶刊Optica上，物理学院博士生姚骏（现已毕业）和南洋理工大学博士后谢希为共同第一作者，杨元杰教授和南洋理工大学申艺杰助理教授为共同通讯作者，电子科技大学为论文第一单位。
光学斯格明子因其独特的拓扑保护特性，在高密度光存储、抗干扰光通信、精密光学测量等前沿研究领域拥有广阔应用前景。简单高效的方式实现光学斯格明子的产生与调控，是实际应用的前提。然而，当前主流的光学斯格明子产生方案通常依赖高精度复杂纳米结构介质，仅支持纳米结构所匹配的单一波长及自由度，难以用于不同波长多自由度光学斯格明子的灵活制备。
另一方面，泊松光斑（又称阿拉戈亮斑）是一种经典的光学现象，指的是光波经圆盘发生菲涅耳衍射时在阴影区域中心形成的亮斑。杨元杰团队利用结构光照射圆盘产生泊松亮斑，以简单的圆盘衍射系统实现了多自由度拓扑结构光场的高效产生与灵活调控，如图1所示。
图1 多自由度光学斯格明子
研究表明，利用单一系统实现多自由度光学斯格明子的产生，可稳定构建斯托克斯斯格明子、自旋斯格明子、电场斯格明子和磁场斯格明子等。基于圆盘衍射的光学系统仅需较少的简单光学元件，显著降低硬件成本的同时具有更高的调控自由度，为多自由度光学斯格明子的产生与协同调控提供了极简平台。
研究团队提出，利用不同结构光照射金属圆盘，振幅截断后的入射光在圆盘边缘激发大量次级子波，传播过程中子波相互叠加并重塑局域波矢，从而驱动自旋-轨道耦合引起光矢量的快速空间演化，形成丰富的拓扑纹理。研究发现，圆偏振涡旋光（σ= −1，l= 2）照射下，泊松亮斑内共存Bloch型自旋斯格明子及2阶Stokes斯格明子。将入射光源切换为线偏振柱矢量光（σ= 0，l= 0），可以在泊淞亮斑内同步构建电场和磁场斯格明子。
前述方案生成的光学斯格明子局限于近场区域，虽有利于光学系统的小型化与片上集成，但给实验观测带来诸多限制。为此，研究团队对光路架构进行优化升级，成功在远场焦平面内构建多自由度光学斯格明子，大幅降低了多自由度拓扑光场的实验研究门槛，相关实验结果如图2和图3所示。
图2 自旋和斯托克斯斯格明子实验结果
图3 电场斯格明子实验结果
本工作展现出具有两百年历史的经典泊松亮斑在前沿方向仍具有巨大的应用潜力。对比传统的光斯格明子产生方法，圆盘衍射具有结构简单、便于集成、适用波长范围广等优势。相较于单一自由度光学斯格明子，多自由度体系在诸多前沿研究领域具有更加突出的实用价值，如多维度材料表征、信息交叉验证等。本工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.591840
