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深度解读

新型超表面激光产生世界上第一个超手性光

来源:科技报告与资讯2020-04-29 我要评论(0 )   

研究人员已经证明了世界上第一个产生“超手性光”的超表面激光器:超高角动量的光。来自该激光器的光可用作光通信中的信息的“光学扳手”或用于对其进行编码。负责这项...

研究人员已经证明了世界上第一个产生“超手性光”的超表面激光器:超高角动量的光。来自该激光器的光可用作光通信中的信息的“光学扳手”或用于对其进行编码。


负责这项研究的南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学(Wits)物理学院Andrew Forbes教授说:“因为光可以携带角动量,这意味着它可以转移到物质上。光携带的角动量越多,它可以转移的越多。因此,您可以将光视为“光学扳手”,现在,您无需使用物理扳手来拧东西(例如拧紧螺母),而是照亮螺母,螺母会自动拧紧。”


新的激光器产生了一种新的高纯度“扭曲光”,这是以前从未见过的,包括激光器报告的最高角动量。同时,研究人员开发了一种纳米结构的超表面,该超表面具有迄今产生的最大相位梯度,并允许在紧凑的设计中进行大功率操作。这意味着世界上第一台可根据需要产生扭曲结构光的奇特状态的激光器。

Nature Photonics今天在线发布了这项研究,该研究是Wits与南非科学与工业研究委员会(CSIR),哈佛大学(美国),新加坡国立大学(新加坡),布鲁塞尔自由大学(比利时)和CNST-通过乔瓦尼·帕斯科利(意大利)前往意大利技术基金会(Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia)之间合作完成的。


在他们的论文中:研究人员展示了一种可见的超表面激光产生的高纯度轨道角动量状态,该研究人员演示了一种新型激光可以产生任何所需的手性态光,并且可以完全控制光的两个角动量(AM)分量,即自旋(偏振和光的轨道角动量(OAM)。


由哈佛小组设计的新型纳米尺寸(比人的头发的宽度细1000倍)提供的完全控制功能使激光器的设计成为可能。超表面由许多纳米材料的细小杆组成,这些杆会在光线穿过时改变光线。光线多次穿过超表面,每次都经过新的扭曲。


“让它与众不同的是,这种材料具有自然界中找不到的特性,因此被称为“超常材料”,一种可以相信的材料。由于结构非常小,它们仅出现在表面上一个超表面。”


结果是产生了至今为止还没有从激光器观察到的新形式的手性光,并且从源头上完全控制了光的手性,从而解决了开放的挑战。


Forbes说:“目前有很强的动力试图用扭曲光来控制手性物质,而要使之起作用,则需要具有很高扭曲度的光:超级手性光。” 包括食品,计算机和生物医学行业在内的各个行业和研究领域都需要超级手性光来改善其工艺。


Forbes说:“我们可以在物理机械系统不起作用的地方,例如在微流体系统中,使用这种类型的光来光学地驱动齿轮。使用该示例,目标是在芯片上而不是在大型实验室中进行药物治疗,通常被称为“芯片实验室”。因为一切都很小,所以光用于控制移动周围的物质或进行分类,诸如对好细胞和坏细胞进行分类。扭曲的光被用来驱动微物质,以使流动进行。”


“周期性”是化学中经常使用的术语,用来描述发现彼此互为镜像的化合物。这些化合物具有“惯用性”,可以被认为是惯用左手或惯用右手的。例如,柠檬和橙子香精是相同的化合物,但只是“手性”不同。


光也是手性的,但具有两种形式:自旋(偏振)和OAM。自旋AM类似于绕自身轴旋转的行星,而OAM类似于绕太阳公转的行星。


Forbes说:“从源头控制光的手性是一项具有挑战性的任务,并且是非常热门的话题,因为从光手性物质的控制到计量学到通信,有许多应用都需要它。完全的手性控制意味着控制光,偏振和OAM的全部角动量。”


由于设计限制和实施障碍,迄今为止,仅产生了非常小的手性态子集。已经设计出独创的方案来控制OAM光束的螺旋度(自旋和线性运动的组合),但它们也仍然限于此对称模式集。直到现在,还不可能写下一些理想的手性并让激光产生。


超表面激光

激光使用超表面注入具有超高角动量的光,使其在相位上具有空前的“扭曲”,同时还能控制偏振。通过任意的角动量控制,可以打破标准的自旋轨道对称性,使第一台激光器在光源处产生对光的完全角动量控制。


超表面由精心制作的纳米结构构成,以产生所需的效果,并且是迄今为止制造的最极端的OAM结构,具有迄今报道的最高相梯度。超表面的纳米分辨率使得低损耗和高损伤阈值的高质量涡旋成为可能,从而使激光成为可能。


结果是一台激光器可以同时激发10和100的OAM状态,这是迄今为止激光器报告的最高AM。在特殊情况下,超表面被设置为产生对称状态,然后激光器会产生从定制结构光激光器报告的所有先前的OAM状态。


“最重要的一点是,我们的方法适用于许多激光器体系结构。例如,我们可以增加增益体积和超表面尺寸来生产大功率的大体积激光器,或者可以使用以下方法将系统缩小到芯片上单片超表面设计,” Forbes说。


“在两种情况下,激射模式都将由泵的偏振控制,除了超表面本身之外,不需要腔内元素。我们的工作代表了将批量激光器研究与片上器件研究相结合的重要一步。”


论文标题《High-purity orbital angular momentum states from a visible metasurface laser》。

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超表面激光器激射模式

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