一种控制光的新方法，有望提升未来无线技术

天津大学的通讯作者张学谦表示：“我们的装置不仅能在自由空间传播的太赫兹脉冲中产生多种涡旋模式，还能在同一集成平台上按需切换两种模式。这种可控性对于实际应用至关重要，因为可靠地选择和再现所需状态对实用信息编码来说极为关键。”该团队的研究成果发表在Optica出版集团旗下的高影响力期刊《Optica》上。在这项研究中，张学谦和他的合作者阐述了他们如何利用非线性超表面，首次通过实验实现了在环形太赫兹光脉冲中，斯格明子可以在电学和磁学构型之间主动切换。超表面是一种极薄的纳米级图案化材料，能够以传统光学元件无法实现的方式操控光。南洋理工大学的共同通讯作者沈亦杰称：“我们的研究成果将可切换的自由空间斯格明子概念推向了一种用于稳健信息编码的可控工具。这项工作可能会启发更具韧性的太赫兹无线通信和光基信息处理方法。这种控制方式还能实现光基电路，以可控方式生成、切换和路由不同的信号状态。”太赫兹波在下一代通信和传感技术中越来越受关注。这项研究是开发太赫兹光源更大努力的一部分，这些光源不仅能发射脉冲，还重点在于对这些脉冲进行塑形以实现实际应用。一种特别有前景的结构是光的环形涡旋，它形成一个环，电磁场自身弯曲成稳定的甜甜圈状。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，且通常缺乏模式切换能力。为解决这一局限，研究人员设计了一种集成装置，能够在自由空间太赫兹脉冲中在电学和磁学环形涡旋模式之间切换。该方法依赖于一种特殊设计的非线性超表面，由精确排列的金属纳米结构制成。当具有不同偏振模式的近红外飞秒激光脉冲照射到超表面时，该装置会产生独特的太赫兹环形脉冲。根据偏振的不同，产生的涡旋会携带电学模式或磁学模式的斯格明子纹理。其机制很像选择不同的钥匙来产生不同的结果，一种光模式激活电学模式，另一种激活磁学模式。天津大学的第一作者牛莉（实验的执行者）表示：“核心创新在于非线性超表面，它能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。”天津大学的项目负责人韩家广补充道：“通过使用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装置，可主动切换两种不同的拓扑光状态。”为测试该系统的性能，团队构建了一个超快太赫兹测量装置，能够观察光脉冲在空间中的传播。他们不是依赖单次测量，而是在多个位置和时间点扫描脉冲，以重建电磁场的演化过程。这些测量揭示了环形光脉冲的关键特征，并清晰地区分了两种斯格明子模式。研究人员还通过保真度测量来评估性能，证实了可靠的切换行为以及每种模式的高纯度。展望未来，该团队计划针对通信应用改进这项技术。未来的工作将重点提高长期稳定性、可重复性和效率，同时使系统更小、更稳健。他们还旨在通过增加额外的可控状态，将该方法扩展到两种模式之外，从而实现更复杂和灵活的信息编码。