世界上第一个超表面激光器产生的超手性光

Metasurface激光

一个艺术印象的超表面激光器产生超手性扭曲光的OAM高达100。信贷:智慧大学

激光通过对物理物体的光学控制开辟了一个新的应用领域。

研究人员展示了世界上第一个可以产生“超手性光”的超表面激光器:具有超高角动量的光。这种激光器发出的光可以作为一种“光扳手”用于光通信中编码信息。

“因为光可以携带角动量,这意味着它可以传递给物质。光携带的角动量越多,它能传递的就越多。所以你可以把光看作是一个‘光学扳手’,”南非约翰内斯堡金山大学(Wits)物理学院的安德鲁·福布斯教授领导了这项研究。“不用用物理扳手拧东西(比如拧螺母),你现在可以用光照射螺母,它就会自己拧紧。”

新的激光器产生了一种新的高纯“扭曲光”,这是以前从激光器中观测不到的,包括从激光器中报告的最高角动量。同时,研究人员开发了一种纳米结构的超表面,具有有史以来最大的相位梯度,并允许在紧凑的设计中进行高功率操作。这意味着世界上第一个可以根据需要产生扭曲结构光的奇异状态的激光器。

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这是制造激光的博士生,思罗尔。信贷:智慧大学

自然光子学这项研究是由Wits和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)以及意大利理工基金会(CNST)通过Giovanni Pascoli(意大利)合作完成的。

在他们题为《来自可见超表面激光器的高纯轨道角动量态》的论文中,研究人员展示了一种新的激光器,它可以产生任何想要的手性光态,可以完全控制光的角动量(AM)组分、自旋(偏振)和光的轨道角动量(OAM)。

这种激光设计之所以成为可能,是因为在激光内部有一种新的纳米大小(比人类头发的宽度小1000倍)的超表面,这种超表面由哈佛小组设计。超表面由许多微小的纳米材料棒组成,当光线通过时,它们会改变光线。光线多次穿过超表面,每次都得到新的扭曲。

它的特别之处在于,这种材料具有在自然界中不可能发现的特性,因此被称为“超材料”——一种虚构的材料。因为这些结构非常小,它们只出现在表面上,形成了超表面。”

其结果是产生了新的手性光的形式,直到现在还没有从激光中观察到,并且完全控制了光的源手性,关闭了一个开放的挑战。

“目前有一种强大的动力试图用扭曲光来控制手性物质,而要做到这一点,你需要具有非常高扭曲度的光:超手性光,”福布斯说。各种行业和研究领域都需要超手性光来改善它们的过程,包括食品、计算机和生物医学行业。

福布斯说:“我们可以用这种光来驱动物理机械系统不起作用的齿轮,比如用微流体系统驱动流体。”以这个例子为例,我们的目标是在芯片上而不是在大型实验室里进行医学实验,通常我们称之为芯片上的实验室。因为所有的东西都很小,所以用光来控制:移动周围的东西,对东西进行分类,比如好细胞和坏细胞。扭曲的光被用来驱动微齿轮使流体流动,并用光模拟离心机。”

手性的挑战

“手性”是一个化学术语,常用于描述化合物之间互为镜像。yabovip2021这些化合物有“利手性”,可以认为是左旋或右旋的。例如,柠檬味和橘子味是同一种化合物,只是它们的“利手性”不同。

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

福布斯说:“控制光源的手性是一项极具挑战性的任务,因为很多应用都需要它,从手性物质的光学控制,到计量学,到通信。”“完全的手性控制意味着控制光的全部角动量、偏振和OAM。”

由于设计上的限制和实现上的障碍,迄今为止只产生了非常小的手性态子集。人们已经设计出了巧妙的方案来控制OAM光束的螺旋度(自旋和线性运动的结合),但它们也仍然局限于这一对称模式集。直到现在,还不可能写下一些想要的手性光状态,并用激光产生它。

Metasurface激光

该激光器使用超表面使光具有超高的角动量,使其相位出现前所未有的“扭转”,同时控制偏振。通过任意角动量控制,可以打破标准的自旋轨道对称性,从而实现对光源的完全角动量控制。

该超表面由精心制作的纳米结构构建而成,以产生预期的效果,是迄今为止制作的最极端的OAM结构,具有迄今为止报道的最高的相梯度。超表面的纳米分辨率使低损耗和高损伤阈值的高质量涡流成为可能,使激光成为可能。

结果是一种激光可以同时发射10和100的OAM状态,达到迄今为止报道的最高AM。在特殊情况下,超表面被设置为产生对称状态,然后激光器产生自定义结构光激光器报告的所有先前的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超表面尺寸来生产高功率的大容量激光器,或者我们可以使用单片超表面设计将系统缩小到一个芯片上,”福布斯说。

“在这两种情况下,激光模式将由泵的偏振控制,不需要腔内元素,除了超表面本身。我们的工作代表了融合体激光器和片上设备研究的重要一步。”

1评论关于“世界上第一种超表面激光器产生的超手性光”

  1. 如果落到坏人手里,这是否意味着人们可以在交通工具使用过程中拆卸它?或者在不知情的情况下重组某人的人体细胞?对于每一项技术进步,我们也必须权衡滥用科学者的后果。文章中提到了生物医学产业。有很多有钱有势的人会利用这种技术来达到邪恶的目的。在我们能够支持这些“进步”之前,我们需要更多地了解如何防止潜在的滥用。

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