可编程拓扑光场经由相干光束合成

《ACS Photonics》：Programmable Topological Light via Coherent Beam Combination

　　

拓扑结构化光场展现出丰富的物理特性，并为信息编码与光-物质相互作用提供了新机遇。研究人员提出一种通用且可扩展的框架，利用相干光束合成（CBC）生成与重构拓扑光场。通过将CBC系统视为电子可寻址的光学相控阵，光场的拓扑结构成为一种可编程参数。作为代表性示例，研究人员聚焦于光学skyrmion，并利用7通道掺镱光纤主振荡功率放大器CBC系统，实验演示了Bloch型、Néel型与反skyrmion纹理之间的确定性与动态切换。该方法为高通量拓扑矢量场与可重构结构化光场建立了一条可扩展且可编程的路径。

研究背景方面，拓扑结构化光场因空间变化偏振在基础物理与应用场景中备受关注，其中光学skyrmion作为拓扑保护准粒子，其skyrmion数（整数不变量）在连续扰动下守恒，已用于光信息编码与先进材料加工。已有生成方式包括表面波倏逝场、紧聚焦自由空间场、全息束整形、机械可调偏振光学与metafibre平台等，但多数为固定纹理或难以兼顾高功率、快速电子控制下的多拓扑切换。相干光束合成（CBC）传统用于功率定标与湍流补偿，虽能生成柱矢量光束，但从未被用于生成可动态重构的复杂拓扑纹理如光学skyrmion。因此，研究人员提出将CBC作为统一框架，使偏振拓扑成为额外自由度。

关键技术方法上，研究人员采用理论建模与实验验证两条线。理论上将37通道六边形密排（HCP）CBC阵列的内19束设为|R?圆偏振近似LG₀₀模，外18束设为|L?圆偏振并加π/9邻道递增方位相位以近似LG₀₁模（l=±1），通过纯相位控制叠加两正交空间模形成skyrmion纹理；并以7通道掺镱光纤（Yb-doped fiber, YDF）主振荡功率放大器CBC系统做实验，中心纤提供LG₀₀类模、外6纤以π/3邻道相位绕2π形成LG₀₁类模，用保偏（PM）光纤、四分之一波片转圆偏振、中性密度滤片调功率比、压电光纤拉伸器作相位执行器，配合基于神经网络（NN）的差分闭环控制维持/设定相对相位，用单相机六次曝光偏振测量与四相机并行偏振测量重构Stokes矢量。

Stokes矢量光学skyrmion部分，研究人员建立由三维Stokes矢量S(x,y)=(S₁,S₂,S₃)到横平面(x,y)的连续拓扑映射，skyrmion数s=(1/4π)?n·(?n/?x×?n/?y)dxdy，n=S/|S|；指出两正交圆偏振（|R?,|L?）分别载l=0与l=±1的拉盖尔-高斯（LG）模叠加可产生Néel/Bloch型（l=-1）或反skyrmion（l=+1），CBC以离散可编程相控阵近似所需空间模。

Optical Skyrmions through Tiled Aperture CBC部分，理论以37通道HCP为例，内19束同相|R?得LG₀₀类远场，外18束|L?加方位相位斜坡得LG₀₁类远场，叠加后中心瓣呈star型（l=+1）或lemon型（l=-1）偏振分布；计算s≈-0.93（Bloch/Néel）与s≈+0.93（反skyrmion），仅改外环整体π/2相移可将Bloch转Néel而不改拓扑荷，反转方位相位方向改符号得反skyrmion，将总绕相增至6π（邻道π/3）得高阶s≈3纹理，并论及bimeron可通过Poincaré球旋转等价获得。传播稳定性模拟显示过Fraunhofer距离z_F=2D²/λ后s在角孔径θ=r/z下定值，拓扑稳定。

Experimental Demonstration部分，7通道YDF-CBC（1070 nm种子，约500 mW放大分7路各~40 mW，PM光纤消光比>15 dB）中，中心纤|V?转|R?，外6纤|H?转|L?，ND=0.5使外纤/中心纤功率比1/3，外纤邻道π/3逆时针得Bloch（lemon偏振、s_exp=-0.50对s_th=-0.50），外纤统一加π/2得Néel（hedgehog Stokes、s_exp=-0.48对-0.50），顺时针绕相得反skyrmion（star偏振、s_exp=+0.44对+0.50）；NN闭环~600 Hz带宽下2 ms内完成纹理切换，四相机极简偏振计实时记录演化。偏差源于7通道离散采样致LG₀₀/LG₀₁空间不匹配，37通道可缓解；功率定标不改变相位编码的拓扑。

讨论与结论部分，研究人员总结CBC将拓扑变为电子可寻址参数，7通道实验证成Bloch/Néel/反skyrmion确定性可逆切换，CBC天然在通道数与功率上可扩展、无需光束内运动件或衍射元件，使拓扑光子学、高功率激光与可重构光学物质交汇。结论原文意译：研究人员理论提出并实验演示CBC可生成柔性按需拓扑结构化光场；将CBC作离散电子寻址光学相控阵，使光场拓扑（螺旋性与skyrmion数）成可重构控制参数；以7通道阵列实现Bloch型、Néel型、反skyrmion纹理间确定性可逆切换；CBC在通道数与输出功率上本征可扩展且模块化，为高通量拓扑矢量场提供纯电子重构路径，无光束内运动或衍射光学件，确立拓扑为结构化光中可编程自由度，桥接拓扑光子学、高功率激光科学与可重构光学物质。论文发表于《ACS Photonics》。