光也可以攜帶角動量?世界上第一臺「超手性光」雷射器誕生!

2020-11-26 騰訊網

世界上第一臺產生「超手性光」的超表面雷射器誕生：具有超高角動量的光。來自該雷射器的光，可以用作光通信中的一種「光學扳手」，或用於對信息進行編碼。領導這項研究的南非約翰尼斯堡威特沃特斯蘭德大學(Wits)物理學院的安德魯·福布斯教授說：因為光可以攜帶角動量，這意味著這可以轉移到物質上，光攜帶的角動量越多，它可以傳遞的越多。

所以你可以把光想像成一把『光學扳手』，而不是使用物理扳手擰東西(如擰螺母)，現在你可以用光線照射螺母，它會自動擰緊。新雷射器產生一種新的高純度「扭曲光」，這是以前從雷射器中觀察不到的，其中包括雷射器報告的最高角動量。同時，研究人員開發了一種納米結構的亞表面，它具有有史以來最大的相位梯度，並允許在微型設計中進行高功率操作，這意味著這是一種世界上第一臺雷射器

可以根據需要產生奇異的扭曲結構光狀態，其研究成果發表在《自然光子學》期刊上。該研究是WITS與南非科學與工業研究委員會(CSIR)、美國哈佛大學、新加坡國立大學、比利時布魯塞爾Vrije University和CNST-Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia通過Giovanni Pascoli(義大利)合作完成。這是一種新的雷射，可以產生任何所需的手性光狀態。並完全控制光的角動量(AM)分量、光的自旋(偏振)和軌道角動量(OAM)。

由哈佛大學研究小組設計的新型納米尺寸（比人類頭髮的寬度小1000倍）亞表面在雷射器中提供了完全的控制，使得雷射設計成為可能。超表面是由許多微小納米材料棒組成，當光線通過時，它們會改變光線，光多次穿過變形曲面，每次都會接收新的扭曲。特別之處在於，對於光來說，這種材料具有在自然界中找不到的特性。因此被稱為「超材料」，這是一種虛構的材料，因為這種結構非常小，所以只出現在表面上，形成一個超表面。

其結果是產生了新形式的手性光，到目前為止還沒有從雷射上觀察到，並在光源上完全控制了光的手性，結束了一項開放的挑戰。目前有一股強大的驅動力，試圖用扭曲光來控制手性物質，而要做到這一點，需要扭曲程度非常高的光：超手性光。各個行業和研究領域都需要超手徵光來改進工藝，包括食品、計算機和生物醫藥行業。在物理機械系統無法工作的地方，可以用這種類型的光碟機動齒輪，比如在微流控系統中驅動流量。

手性挑戰

研究的目標是在晶片上而不是在大型實驗室裡進行藥物治療，通常被稱為晶片上實驗室。因為一切都很小，所以光被用來控制：移動東西並對東西進行分類，比如好的和壞的細胞。扭曲的光可以用來驅動微型齒輪來推動流動，並用光來模擬離心機。「手性」是化學中經常使用的一個術語，用來描述作為彼此鏡像的化合物。這些化合物有一種「慣用手」，可以被認為是左撇子或右撇子。例如，檸檬和橙子是味道相同的化合物，只是它們的「慣用手」不同。

光也是有手性的，但有兩種形式：自旋(偏振)和OAM。自旋AM類似於圍繞自己軸旋轉的行星，而OAM類似於繞太陽運行的行星。在光源上控制光的手性，是一項具有挑戰性的任務，也是一項高度專題性的任務，因為需要它的應用很多，從手性物質的光學控制，到計量學，再到通信。完全的手性控制意味著可以控制光的全部角動量、偏振和OAM。由於設計限制和實現障礙，到目前為止，只產生了非常小的手性態子集。

變形表面雷射器

研究已經設計出巧妙的方案，可以控制OAM光束的螺旋度(自旋和直線運動的組合)，但它們也僅限於這組對稱的模式。到目前為止，還不可能寫下一些所需的光手性狀態，然後用雷射器產生它。該雷射器使用變形表面使光具有超高的角動量，在相位上有前所未有的「扭曲」，同時也控制了偏振。通過任意的角動量控制，可以打破標準的自旋-軌道對稱性，使第一個雷射器在光源處產生完全的光角動量控制。

這種準表面是由精心製作的納米結構製成，以產生所需的效果，是迄今為止製造的最極端OAM結構，具有迄今最高的相位梯度。亞表面的納米解析度使低損耗、高損傷閾值的高質量渦旋成為可能，使雷射成為可能。結果是一種雷射器可以同時在10和100的OAM狀態上產生雷射，以獲得迄今為止最高的AM。在變形表面被設置為產生對稱狀態的特殊情況下，雷射器然後產生從定製結構光雷射器所有先前的OAM狀態。

展望未來

研究發現特別令人興奮的是：該方法適用於許多雷射架構。例如，可以增加增益體積和變形表面大小，以生產高功率的塊狀雷射器，或者可以將系統縮小到使用單片變形表面設計的晶片上。在這兩種情況下，雷射模式都將由泵浦的偏振來控制，除了亞表面本身，不需要腔內元件。研究代表著朝著將塊狀雷射器的研究與片上器件研究相結合邁出了重要的一步。

博科園｜研究/來自：威斯大學

參考期刊《自然光子學》

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