一种新型光学设备使研究人员能够生成并在两种稳定的环形光图案（称为斯格明子）之间进行切换。这些光涡旋即使在受到干扰时也能保持其形状，因此有望用于无线数据传输。通过使用 specially 设计的超表面和控制激光脉冲，科学家可以在电模式和磁模式之间切换。这项进展可能为更具抗干扰能力的太赫兹通信系统铺平道路。
"我们的设备不仅能在自由空间传播的太赫兹脉冲中产生多个涡旋模式，还能使用同一个集成平台按需在两种模式之间切换，"通讯作者、天津大学的张学迁表示。"这种可控性对于实际应用至关重要，因为在实际信息编码中，可靠地选择和再现所需状态是关键。"
该团队在《光学》(Optica)期刊上报告了这项工作，《光学》是光学出版集团(Optica Publishing Group)旗下发表高影响力研究的期刊。在这项研究中，张及其合作者描述了他们如何利用非线性超表面，首次通过实验展示了在环形太赫兹光脉冲中，斯格明子可以在电结构和磁结构之间主动切换。超表面是在纳米尺度上图案化的极薄材料，使其能够以传统光学元件无法做到的方式操纵光。
"我们的结果将可切换自由空间斯格明子的概念，推向了一种用于稳健信息编码的可控工具，"共同通讯作者、南洋理工大学的沈一杰表示。"这项工作可能为太赫兹无线通信和基于光的信息处理激发更具弹性的方法。这种控制类型也可能催生基于光的电路，以受控方式生成、切换和路由不同的信号状态。"
可编程太赫兹光结构
太赫兹波正吸引着下一代通信和传感技术越来越多的兴趣。这项研究是开发不仅发射脉冲，而且着重于为实际用途塑造这些脉冲的太赫兹光源这一更广泛努力的一部分。
一种特别有前景的结构是光的环形涡旋，它形成一个环，电磁场在其中弯曲回自身，形成一个稳定的、甜甜圈状的形状。这些涡旋提供了额外的信息编码方式，但大多数现有系统只能产生单一类型的模式，并且通常缺乏在模式之间切换的能力。
为了解决这一限制，研究人员设计了一种集成设备，能够在自由空间太赫兹脉冲中的电环形涡旋模式和磁环形涡旋模式之间切换。该方法依赖于一个由精确排列的金属纳米结构构成的、经过特殊工程设计的非线性超表面。
当具有不同偏振模式的近红外飞秒激光脉冲照射到该超表面时，该设备会产生独特的太赫兹环形脉冲。取决于偏振状态，产生的涡旋携带电模式或磁模式的斯格明子纹理。其机制很像选择不同的键来产生不同的结果，一种光模式激活电模式，另一种激活磁模式。
"核心创新在于非线性超表面，它将成形的近红外飞秒激光脉冲转换为定制的太赫兹环形光脉冲，"进行实验的第一作者、天津大学的牛力表示。
项目负责人、天津大学的韩家广补充道："通过采用诸如波片和涡旋延迟器等简单光学元件来控制输入激光的偏振模式，我们能够制造出一种紧凑的设备，可以在两种不同的拓扑光状态之间主动切换。"
测量和验证斯格明子切换
为了测试系统的运行效果，该团队搭建了一套超快太赫兹测量装置，使他们能够观察光脉冲在空间中传播的过程。他们并非依赖单次测量，而是扫描多个位置和时间点的脉冲，以重建电磁场如何演化。
这些测量揭示了环形光脉冲的定义特征，并清晰地区分了两种斯格明子模式。研究人员还使用保真度测量来评估性能，确认了可靠的切换行为以及每种模式的高纯度。
展望未来，该团队计划完善这项技术以用于以通信为重点的应用。未来的工作将侧重于提高长期稳定性、可重复性和效率，同时使系统更小、更坚固。他们还旨在通过增加额外的可控状态，将这种方法扩展到两种模式之外，这将允许更复杂和灵活的信息编码。