柔性超光纤器件可以产生具有设计拓扑结构和亚波长特征的光学粒子

图1：产生具有可配置拓扑纹理的光学天空的超纤维的艺术图像。致谢：袁b孟、何天天、沈一杰、肖启荣

Skyrmions，因其复杂而独特的自旋结构，在科研界声名鹊起，特别是在数据存储与信息技术的革新上展现出无限潜力，引得众多科研人员竞相探索。而今，一个与之相对应的新概念——“光学天空粒子”（即光学skyrmions），作为这些神秘准粒子的光基版本，正逐步成为构建具备非凡拓扑特性的前沿光学系统的新希望。

然而，传统的制造光学天幕（即光学skyrmions的场）方法，往往需要庞大且构造复杂的空间光调制设备，这不仅大大限制了其应用的广泛性，也阻碍了实际应用的步伐。尽管已有研究者尝试通过倏逝波或磁场等手段来简化这一过程，但这些方法大多仅限于光学近场范围内有效，检测起来颇为困难，更无法实现长距离的自由空间传播，这无疑为光学天幕的实用化增添了重重障碍。

面对这一长期存在的难题，我们团队经过不懈努力，成功研发出一种创新的超光纤设备，它不仅能够高效地生成光学天幕，而且所生成的天幕还具有可定制化的拓扑纹理及前所未有的亚波长偏振特性（见图1）。这一突破性的设计灵感来源于光纤实验室的先进技术，我们将超结构巧妙地融入光纤的尖端部位，使得设备能够直接输出具有精确调控拓扑特征的结构光场。

具体来说，通过精确调控光纤尖端的超结构，我们能够创造出具有特定偏振模式和拓扑纹理的光束，这些光束在亚波长尺度上展现出独特的性质，为光学通信、成像及传感等领域带来了全新的可能性。相较于传统方法，我们的超光纤设备不仅体积小巧、易于集成，而且在产生和操控光学天幕方面展现出了更高的灵活性和精确度。

这项研究成果已在《自然通讯》这一国际顶级学术期刊上发表，标志着我们在探索光学天幕及其潜在应用方面迈出了重要的一步。未来，随着技术的进一步成熟与优化，我们有理由相信，这些基于超光纤的光学天幕将在信息技术、光学传感及量子通信等多个领域展现出更加广泛的应用前景，为人类社会的科技进步贡献新的力量。

图2：超纤维对天幕的激发示意图。导出超纤维后激发粒子的三维强度(I)和矢量分布。Sz: Stokes矢量的z分量，PSF：保偏单模光纤，λ：光波长。插图：(a)由零阶贝塞尔光束和一阶贝塞尔光束在正交左圆偏振（LCP）和右圆偏振（RCP）下组成的skyrmion的构造原理。（b-d）激发态粒子的性质。(b)电场强度下的椭圆极化分布。(c)彩色斯托克斯偏振分布。(d)色度（HL）色单位Stokes poincarcarcarve球。资料来源：Tiantian He等人，亚波长特性的超光纤光学图像，《自然通讯》（2024）。DOI: 10.1038/s41467-024-54207-z

在图2所展示的设计中，超光纤巧妙地融合了多个关键组件，包括一根能够保持偏振状态的单模光纤（PSF）、一个用于光束扩展的过渡段，以及在光纤尖端精心设计的超表面结构。这一创新设计的核心在于，它能够将正交偏振的贝塞尔光束（包括零阶和一阶）与轨道角动量（OAM）这一物理特性相结合，从而在光纤输出端产生出Stokes skyrmions这一独特的拓扑光结构。

通过调整光纤尖端超表面的微纳结构设计，研究人员能够灵活地创建出多种类型的skyrmions，如Neel-、Bloch-以及anti-skyrmions等，这些不同类型的skyrmions在拓扑结构和物理特性上各具特色。这一成果不仅为元光子学与光纤技术的交叉研究开辟了新的道路，还提供了一种多功能且超紧凑的结构光器件，其性能远超传统方法。

该超光纤平台凭借其卓越的能力，能够生产出具有不同拓扑结构的高质量skyrmions，这为光通信、数据存储等领域带来了前所未有的可能性。例如，在光通信领域，skyrmions的独特拓扑特性可以被用来编码信息，从而提高通信的容量和安全性；在数据存储方面，skyrmions的稳定性和可控性则为其在新型存储介质中的应用提供了广阔的前景。

展望未来，研究团队计划进一步探索超光纤平台的更多功能。例如，他们可能会尝试将自旋天空的概念引入到超光纤设计中，或者利用相变材料或二维材料来构建可重构的超表面，从而进一步拓宽拓扑工程光场的范围。这些新功能的开发将有望推动光学天幕粒子的实际应用，并为光学物理和纳米光子学的其他领域带来革命性的变革。

袁b孟博士，作为这一领域的杰出研究者，他的工作不仅体现了超光纤平台在产生复杂拓扑光结构方面的巨大潜力，还为光学天幕粒子的进一步研究和应用奠定了坚实的基础。通过科学X对话这一平台，袁博士和其他研究人员能够分享他们的最新发现，共同推动光学技术的持续进步和创新发展。