対称性を破ることで、スピン軌道光学のトポロジー相遷移が可能になりました

光のトポロジョフェーズ遷移（TPT）は、あるタイプのスピン軌道相互作用から別の種類へのトポロジーの進化を指します。これは、光学界面でのビーム散乱と一軸結晶の伝播に最近発見されました。この作業では、フル波理論を使用して、軸外および部分的にマスクされた円形偏光ガウスビームの焦点を調査します。さらに、焦点システムにおける2つの異なるタイプのスピン軌道相互作用（つまり、スピン依存の渦生成とフォトニックスピンホール効果）は、TPTの観点から統一されています。軸外距離またはマスクされた領域が増加すると、焦点を合わせた光学界のTPT現象が起こり、スピン依存の渦の生成からビーム重心のスピンホールシフトに進化することが実証されています。固有のメカニズムは、システムの円筒形の対称性に起因します。渦モード分解の方法に基づいて、この対称性を破る誘導TPTをさらに調べます。ここで観察されたTPT現象と、光学界面での斜めの入射によって引き起こされたものや、一軸結晶の斜め伝播によって引き起こされる主な違いも明らかにされています。私たちの調査結果は、光学におけるスピン軌道相互作用を理解するための実りある洞察を提供し、さまざまなスピン軌道フォトニクスシステムでTPT現象を統合する機会を提供します。

The topological phase transitions (TPT) of light refers to a topological evolution from one type of spin-orbit interaction to another, which has been recently found in beam scattering at optical interfaces and propagation in uniaxial crystals. In this work, the focusing of off-axis and partially masked circular-polarization Gaussian beams are investigated by using of a full-wave theory. Moreover, two different types of spin-orbit interactions (i.e., spin-dependent vortex generation and photonic spin-Hall effect) in the focusing system are unified from the perspective of TPT. It is demonstrated that as the off-axis distance or the masked area increases, a TPT phenomenon in the focused optical field takes place, evolving from the spin-dependent vortex generation to the spin-Hall shift of the beam centroids. The intrinsic mechanism is attributed to the cylindrical symmetry-breaking of the system. This symmetry-breaking induced TPT based on the method of vortex mode decomposition is further examined. The main difference between the TPT phenomenon observed here and that trigged by oblique incidence at optical interfaces or oblique propagation in uniaxial crystals is also uncovered. Our findings provide fruitful insights for understanding the spin-orbit interactions in optics, providing an opportunity for unifying the TPT phenomena in various spin-orbit photonics systems.