逆设计的超声表面用于高拓扑保真度的紧凑光学天空拱的生成

光学天空拱是具有非平凡极化拓扑和亚波长尺度特征的结构向量场。生成光学天空拱的常见方法是叠加零阶贝塞尔光束和携带轨道角动量的高阶贝塞尔光束，两个光束分别具有正交的圆偏振态。然而，创建此类复杂光束通常需要笨重的自由空间光学 setup；因此，近期努力聚焦于基于超声表面的紧凑型光学天空拱发生器。尽管如此，由于常规原子件的设计灵活性受限，实现同时相位和偏振控制所需的自由度仍然具有挑战性。本文通过采用逆设计方法并展示了一个单层超声表面，可实现高保真度的光学天空拱生成。我们采用基于拒绝的拓扑优化方法设计一种硅制超声表面，将入射光束转换为光学天空拱，而无需额外的光学组件。优化后的超声表面生成的光学天空拱天空拱数为 $(N_\mathrm{sk}) = 0.970$。本工作表明，逆设计是紧凑型天空拱发生器的有前景的路径，我们的方法为近场粒子操作和稠密光子集成中独立拓扑位的生成提供了基础。