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世界上第一台“超手性光”激光器诞生!

发布时间:2020-04-29 来源:博科园

世界上第一台产生“超手性光”的超表面激光器诞生:具有超高角动量的光。来自该激光器的光,可以用作光通信中的一种“光学扳手”,或用于对信息进行编码。领导这项研究的南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学(Wits)物理学院的安德鲁·福布斯教授说:因为光可以携带角动量,这意味着这可以转移到物质上,光携带的角动量越多,它可以传递的越多。

所以你可以把光想象成一把‘光学扳手’,而不是使用物理扳手拧东西(如拧螺母),现在你可以用光线照射螺母,它会自动拧紧。新激光器产生一种新的高纯度“扭曲光”,这是以前从激光器中观察不到的,其中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亚表面,它具有有史以来最大的相位梯度,并允许在微型设计中进行高功率操作,这意味着这是一种世界上第一台激光器

可以根据需要产生奇异的扭曲结构光状态,其研究成果发表在《自然光子学》期刊上。该研究是WITS与南非科学与工业研究委员会(CSIR)、美国哈佛大学、新加坡国立大学、比利时布鲁塞尔Vrije University和CNST-Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia通过Giovanni Pascoli(意大利)合作完成。这是一种新的激光,可以产生任何所需的手性光状态。并完全控制光的角动量(AM)分量、光的自旋(偏振)和轨道角动量(OAM)。

由哈佛大学研究小组设计的新型纳米尺寸(比人类头发的宽度小1000倍)亚表面在激光器中提供了完全的控制,使得激光设计成为可能。超表面是由许多微小纳米材料棒组成,当光线通过时,它们会改变光线,光多次穿过变形曲面,每次都会接收新的扭曲。特别之处在于,对于光来说,这种材料具有在自然界中找不到的特性。因此被称为“超材料”,这是一种虚构的材料,因为这种结构非常小,所以只出现在表面上,形成一个超表面。

其结果是产生了新形式的手性光,到目前为止还没有从激光上观察到,并在光源上完全控制了光的手性,结束了一项开放的挑战。目前有一股强大的驱动力,试图用扭曲光来控制手性物质,而要做到这一点,需要扭曲程度非常高的光:超手性光。各个行业和研究领域都需要超手征光来改进工艺,包括食品、计算机和生物医药行业。在物理机械系统无法工作的地方,可以用这种类型的光驱动齿轮,比如在微流控系统中驱动流量。

手性挑战

研究的目标是在芯片上而不是在大型实验室里进行药物治疗,通常被称为芯片上实验室。因为一切都很小,所以光被用来控制:移动东西并对东西进行分类,比如好的和坏的细胞。扭曲的光可以用来驱动微型齿轮来推动流动,并用光来模拟离心机。“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。这些化合物有一种“惯用手”,可以被认为是左撇子或右撇子。例如,柠檬和橙子是味道相同的化合物,只是它们的“惯用手”不同。

光也是有手性的,但有两种形式:自旋(偏振)和OAM。自旋AM类似于围绕自己轴旋转的行星,而OAM类似于绕太阳运行的行星。在光源上控制光的手性,是一项具有挑战性的任务,也是一项高度专题性的任务,因为需要它的应用很多,从手性物质的光学控制,到计量学,再到通信。完全的手性控制意味着可以控制光的全部角动量、偏振和OAM。由于设计限制和实现障碍,到目前为止,只产生了非常小的手性态子集。

变形表面激光器

研究已经设计出巧妙的方案,可以控制OAM光束的螺旋度(自旋和直线运动的组合),但它们也仅限于这组对称的模式。到目前为止,还不可能写下一些所需的光手性状态,然后用激光器产生它。该激光器使用变形表面使光具有超高的角动量,在相位上有前所未有的“扭曲”,同时也控制了偏振。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光角动量控制。

这种准表面是由精心制作的纳米结构制成,以产生所需的效果,是迄今为止制造的最极端OAM结构,具有迄今最高的相位梯度。亚表面的纳米分辨率使低损耗、高损伤阈值的高质量涡旋成为可能,使激光成为可能。结果是一种激光器可以同时在10和100的OAM状态上产生激光,以获得迄今为止最高的AM。在变形表面被设置为产生对称状态的特殊情况下,激光器然后产生从定制结构光激光器所有先前的OAM状态。

展望未来

研究发现特别令人兴奋的是:该方法适用于许多激光架构。例如,可以增加增益体积和变形表面大小,以生产高功率的块状激光器,或者可以将系统缩小到使用单片变形表面设计的芯片上。在这两种情况下,激光模式都将由泵浦的偏振来控制,除了亚表面本身,不需要腔内元件。研究代表着朝着将块状激光器的研究与片上器件研究相结合迈出了重要的一步。

博科园|研究/来自:威斯大学


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