动量-频率空间中利用破缺光栅产生太赫兹时空Meron的方法

本发明涉及太赫兹光子学，尤其涉及一种动量-频率空间中利用破缺光栅产生太赫兹时空meron的方法。

背景技术：

1、斯格明子（skyrmion）概念源自英国粒子物理学家tony skyrme于1962年在统一场理论中提出的拓扑孤子解，其核心特征在于具有矢量结构与拓扑保护特性。随着拓扑物理与光学的深度融合，斯格明子被引入光学体系，催生了“光学斯格明子”这一前沿方向，并迅速成为拓扑光子学和结构光场调控的重要分支。光学斯格明子在光通信、微位移测量、鲁棒传输及可重构光子处理等领域展现出巨大应用潜力，引发了广泛的研究热潮。

2、然而，当前光学斯格明子的研究主要局限于纯空间域，其拓扑结构通常定义在静态横向平面内，对时间维度的开发利用尚不充分，这在一定程度上制约了拓扑光场的信息承载能力与动力学调控潜力。针对此局限，2025年上海理工大学詹其文教授团队率先提出并实验实现了时空斯格明子。该研究通过将横向轨道角动量与超短脉冲光场的矢量自由度相结合，在时空域（如x–t平面）中构造出具有稳定拓扑不变量的偏振纹理，标志着光学斯格明子研究从空间拓扑向时空联合拓扑的重要跨越，如图1所示。

3、相较于空间斯格明子，时空斯格明子在物理内涵与应用前景上具有更为突出的研究价值。首先，时间维度的引入显著拓展了光场拓扑结构的定义空间，使拓扑态得以在传播过程中动态演化，从而实现更高维度的信息承载与调控自由度。其次，时空斯格明子将超快时间尺度与拓扑保护机制相结合，在超快光信息处理、高容量光通信及拓扑光存储等领域展现出独特优势。

4、太赫兹波段作为电磁波谱中的特殊频段，兼具高带宽与强穿透性，在6g通信、超快光谱、量子信息等领域具有广泛应用前景。太赫兹时空斯格明子可以将拓扑结构作为信息载体，其拓扑不变量在连续形变和弱扰动下保持稳定，赋予信息编码天然的抗噪声与抗畸变能力；同时，其矢量场结构蕴含多个可独立或耦合的自由度，可支持高维编码与鲁棒传输。因此，系统开展太赫兹时空斯格明子的生成和表征研究，对于深化太赫兹光场拓扑物理本质的认识、推动未来高容量高鲁棒性太赫兹通信与量子信息编码技术的发展，具有极为重要的科学意义与应用价值。

5、根据矢量类型，光学斯格明子可分为电磁场矢量、自旋矢量、斯托克斯矢量等类型；根据矢量旋转方式，可进一步分为néel型、anti型、bloch型、janus型等结构。当前关于斯格明子的研究主要集中在光学频段，时空斯格明子也仅在光学波段被实验观测到，目前尚无太赫兹时空斯格明子的文献报道。文献中关于时空斯格明子的研究，主要围绕斯托克斯矢量的各种拓扑构型展开，其产生方法可归纳为以下两类。

6、第一类是通过谱面调控技术产生。2026年美国佛罗里达大学a. f. abouraddy团队基于该技术实现了三维局域化的时空光学meron（斯格明子半子，其斯格明子数为1/2）。他们先通过由啁啾光栅、空间光调制器、相位板组成的多级谱变换装置，将超短脉冲的光谱成分在频域空间上展开；随后通过谱变换与坐标变换将频谱沿径向分布；最后利用双折射介质超表面偏振掩膜版在谱面上进行逐点调控偏振，从而将自旋纹理映射到频率-动量空间。

7、第二类是基于双光束叠加法生成。2025年上海理工大学詹其文团队基于该方法首次在实验上实现了时空斯格明子。他们首先将一束线偏振超快光脉冲分为两束：其中一束光经4f系统转换至频率-动量空间，通过空间光调制器（slm）施加精确的复振幅调制后，再经4f系统变换回时空域，最终塑造为携带轨道角动量的时空涡旋模式；另一束光则保持为简单的高斯模式。最后，将这两个分量合束并进行同轴叠加，在时空平面内构造出斯格明子纹理。

8、总结目前时空斯格明子产生原理和存在的问题：第一类方法通过调控谱面几何与偏振分布，实现了对时空拓扑结构的操控，但其系统复杂，依赖精密昂贵的多级谱变换装置和严苛的偏振调制，导致损耗较大且难以集成；第二类方法的核心原理是精确调控两个正交偏振分量（rcp与lcp）的振幅比和相位差，在时空域中合成具有斯格明子拓扑结构的矢量光场。这种基于双光束叠加的方法，避免了逐点偏振调控带来的损耗，但需要经过“分束-调控-合束”三个独立的物理过程，涉及空间光调制器的复振幅调制，且对光路对准与时间同步有精密要求，系统紧凑性受限。

9、在上述两类方法中，双光束叠加法因系统架构相对简洁、调控直观等优势，更适于作为探索时空拓扑光场物理机制的基础平台。然而，该方案仍依赖于分离光路与体块元件，其环境稳定性与集成度有待提升。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是如何提供一种简洁且鲁棒的动量-频率空间中利用破缺光栅产生太赫兹时空meron的方法。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种动量-频率空间中利用破缺光栅产生太赫兹时空meron的方法，所述方法包括如下步骤：

3、设计超表面单元，在单束太赫兹圆偏振光入射下，使所述单束太赫兹圆偏振光通过所述超表面单元，所述超表面单元同时激发出两束预设振幅比与相位差的正交圆偏振分量：共偏振时空涡旋与交叉偏振背景光，且二者天然同轴叠加，实现太赫兹时空斯格明子的片上集成产生。

4、进一步的技术方案在于：所述超表面单元包括若干个呈阵列状排列的光栅结构，所述光栅结构包括上二氧化硅光栅层、中二氧化硅光栅层以及下二氧化硅光栅层，相邻光栅层之间填充锑化铟，构成表面正方形的边长为a，厚度为h的光栅单元，所述上二氧化硅光栅层、中二氧化硅光栅层以及下二氧化硅光栅层的上表面为边长w的正方形，所述上二氧化硅光栅层与所述下二氧化硅光栅层的厚度相同，均为t，所述中二氧化硅光栅层的厚度为2t，满足 t =h/4，上二氧化硅光栅层与下二氧化硅光栅层沿z轴方向上重合，且中二氧化硅光栅层相对于上二氧化硅光栅层在y轴方向上错开，且所述中二氧化硅光栅层的右侧面与所述光栅结构的右侧面之间的距离为g，所述上二氧化硅光栅层的左侧面与所述光栅结构的左侧面之间的距离为g。

5、采用上述技术方案所产生的有益效果在于： 所述方法基于对称性破缺的光栅结构实现了太赫兹频段的动量–频率空间中新型拓扑结构-时空 meron 的直接构建。该结构利用共偏振光中的完全偏振转换点所激发的时空相位涡旋，并在时空域中引入交叉叠加机制为时空 meron 的产生提供了有效载体。实验表明，该光栅结构中可通过调控入射光的手性与光栅旋转方向，实现 meron 极性 (p) 与涡度 (v) 的独立可控，从而获得斯格明子数分别为 ±1/2 的两种 meron 构型，体现出优异的可调性与多态拓扑特征。此外，进一步揭示了该结构在 kx–ω 平面与固定频率截面 kx-ky平面中的拓扑演化规律：前者对应时空meron 的形成与稳定，而后者展示了频率演化下空间 meron 的生成、演化及拓扑湮灭过程，生动体现了拓扑守恒定律。通过扰动分析可知，该方案对结构制备误差具有出色的鲁棒性，确保了实验实现与应用的可行性。本技术将对称性破缺设计与拓扑光子学相结合，为时空 meron 的可控生成提供了全新的实现路径，为高维拓扑光场调控、光学信息编码及拓扑光子器件的实际应用奠定了坚实基础。