涡旋激光阵列调控拓扑电荷 | 超表面
涡旋几何阵列，其规则结构归因于受限系统内的相互作用。在光学中，这种涡旋晶体，可以在谐振器内自发形成。其结晶过程，在物理学的许多领域都是相关的，但涉及到具体应用，仍受限于其拓扑结构的精确调控。类似空间光调制器可编程器件，可以设计几乎任意的涡旋分布，不过是没有任何内在演化。
近日，意大利理工学院的研究团队在Nature Photonics上发文，报道通过融合非厄密光学与超表面按需拓扑变换，提出了一种固态激光器，其产生10×10涡旋激光阵列，呈现主动可调拓扑和阵列拓扑决定的非局部耦合。涡旋阵列显示出尖锐的布拉格衍射峰，证明了其相干性和拓扑电荷纯度，通过引入并行化分析技术，在整个晶格上对其进行空间解析。通过在光源处构造光，实现了复杂变换，该变换允许在腔内任意分割轨道角动量并修复拓扑电荷缺陷，从而，有望实现用于拓扑光学应用的鲁棒且通用谐振器。
该项研究演示了一种超表面激光器，是基于任意自旋-轨道转换，可以调控光学涡旋阵列中的拓扑变换。基本非厄密机制为系统提供了稳定性和相干性，以及在腔内分割轨道角动量（OAM）的能力。
这项工作中提出的概念，开辟了几种新的可能性。激光阵列的空间耦合几何结构，可以通过调整光束的拓扑荷来设计。各向异性配置，也可以通过采用具有分数OAM阵列来实现。这可以用于单独地控制通信节点网络相互耦合的信道。为此，机械或光学调节腔长，从而有望实现电荷动态调制。
图2：涡旋激光阵列的平行化拓扑电荷表征。
图3：腔体内的轨道角动量进行分区。
通过优化组合激光阵列，可以利用涡旋阵列与零拓扑电荷高斯阵列干涉，以产生斯格明子Skyrmions拓扑保护晶格，其赋予了系统的可调谐特征。通过利用超表面的结构设计自由度，可以探索许多其他拓扑耦合方案，例如非互易OAM转换，其中所赋予电荷，取决于腔传播光束的超表面。缺陷修复更普遍地表明，系统可以响应并适应相位掩模的非周期性特征。
这开启了迭代操纵编码，为拓扑电荷信息的可能性，并可用于开发OAM作为合成维度的光子模拟器，包括合成规范场的光学模拟器，并在标记阵列的激光解算器中，实现量子搜索算法。例如，激光阵列可以用来模拟其他物理系统的种群动力学，如相互作用的星系或流体动力学涡旋，将其角动量映射到不同拓扑电荷。此外，还可以探究，当系统远离强耦合状态时会发生什么，以及在激光阵列中是否会形成不同拓扑电荷的不同区域。
该项实验方案，是可扩展的，并且允许生成大型光学涡旋阵列，该阵列可以利用空间分割多路复用，有望应用于轨道角动量OAM、频率和偏振自由度多维结构光的光通信。
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