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新型超表面激光产生了世界上第一个超手性光

新型超表面激光产生了世界上第一个超手性光

研究人员展示了世界上第一个产生“超手性光”的超表面激光:具有超高角动量的光。该激光器发出的光可作为一种“光扳手”用于光通信中的信息编码。

“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,它传递的信息就越多。所以你可以把光想象成‘光学扳手’,”南非约翰内斯堡金山大学物理学院教授安德鲁·福布斯领导了这项研究。“不用物理扳手来拧东西(比如拧螺母),现在你可以用亮光照射螺母,它就会自动拧紧。”

这种新激光器产生了一种新的高纯度“扭曲光”,这是以前从未用激光观察到的,包括从激光中获得的最高角动量。同时,研究人员开发了一种具有最大相位梯度的纳米结构的超表面,并允许在紧凑的设计中进行高功率操作。这意味着这是世界上第一种可以根据需要产生奇异的扭曲结构光的激光器。

自然光子学今天在线发表的研究是一个合作的智慧和科学与工业研究理事会(CSIR)在南非,哈佛大学(美国),新加坡国立大学(新加坡),sccp布鲁塞尔(比利时)和CNST-Fondazione史犬通过乔凡尼迪Tecnologia Pascoli(意大利)。

在他们的论文《来自可见超表面激光的高纯度轨道角动量状态》中,研究人员演示了一种新的激光,它可以产生任何理想的手性光状态,完全控制光的角动量(AM)、自旋(极化)和光的轨道角动量(OAM)。

由哈佛大学设计的新型纳米级(比人类头发的宽度还小1000倍)元表面在激光的完全控制下使激光设计成为可能。超表面是由许多纳米材料的小棒组成的,当光通过时,这些小棒会改变光的方向。光多次穿过超表面,每次都接受一个新的扭曲。

这种材料的特殊之处在于,它具有在自然界中找不到的特性,因此被称为“超材料”——一种虚构的材料。因为这些结构非常小,所以它们只出现在表面,形成一个超表面。”

结果是产生了新的手性光,这是迄今为止激光还没有观察到的,并且在光源处完全控制了光的手性,结束了一个开放的挑战。

《福布斯》说:“目前有一种强大的动力试图利用扭曲光来控制手性物质,而要实现这一目的,就需要一种扭曲度非常高的超手性光。”各个行业和研究领域都需要超手性光来改善它们的工艺,包括食品、计算机和生物医学行业。

福布斯说:“我们可以用这种类型的光在物理机械系统不能工作的地方光学驱动齿轮,比如在微流体系统中驱动流体。”通过这个例子,我们的目标是在芯片上而不是在大型实验室中进行药物治疗,这种芯片通常被称为“芯片上的实验室”(lab -on-a- chip)。因为所有的东西都很小,所以光被用来控制:移动东西和分类东西,比如好细胞和坏细胞。扭曲的光被用来驱动微齿轮来让水流流动,并用光来模拟离心机。”

手性的挑战

“手性”是化学中经常使用的一个术语,用来描述作为彼此镜像的化合物。这些化合物具有“利手性”,可以认为是左旋或右旋的。例如,柠檬和橘子的味道是相同的化合物,只是它们的“偏手性”不同。

光也是手性的,但有两种形式:自旋(极化)和OAM。自旋AM类似于行星围绕自己的轴旋转,而OAM类似于行星围绕太阳旋转。

福布斯说:“在光源处控制光的手性是一项具有挑战性的任务,并且具有很强的针对性,因为许多应用都需要它,从光学控制手性物质,到计量学,再到通信。”“完全手性控制意味着控制光、极化和OAM的完整角动量。”

由于设计上的限制和实现上的障碍,迄今为止只产生了很小一部分手性态。已经设计出一些巧妙的方案来控制OAM光束的螺旋度(自旋和线性运动的组合),但它们也仍然局限于这种对称模式集。到目前为止,还不可能写出某种理想的手性光态然后用激光来产生它。

Metasurface激光

激光利用超表面赋予光极高的角动量,使其在相位上产生前所未有的“扭曲”,同时控制偏振。通过任意的角动量控制,可以打破标准的自旋轨道对称性,使第一个激光器在光源处产生完全的角动量控制。

metasurface是由精心制作的纳米结构构建而成,以产生所需的效果,是迄今为止制造的最极端的OAM结构,具有迄今为止报道的最高相位梯度。超表面的纳米分辨率使得低损耗、高损伤阈值的高质量涡流成为可能,从而使激光成为可能。

结果是一种激光可以同时在10和100的OAM状态下产生迄今为止报道的最高的AM。在特殊的情况下,元表面被设置为产生对称状态,然后激光产生自定义结构光激光报告的所有先前的OAM状态。

展望未来

“我们发现特别令人兴奋的是,我们的方法适用于许多激光架构。例如,我们可以增加增益体积和元表面尺寸来生产高功率的激光,或者我们可以使用单片元表面设计将系统缩小到一个芯片上,”Forbes说。

“在这两种情况下,激光模式将由泵的极化控制,不需要腔内元素,除了超表面本身。我们的工作代表了将批量激光研究与芯片设备研究相结合的重要一步。”

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