超表面雷射的超扭曲光

2021-01-20 江蘇雷射產業技術創新戰略聯盟

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江蘇雷射聯盟導讀：

據悉，研究人研究出一個新的超表面雷射可以發射出高純、非對稱的超手性光 ，同時具有前所未有的在源頭上進行控制角動量的能力。


一個新的超表面雷射可以發射出高純、非對稱的超手性光 ，同時具有前所未有的在源頭上進行控制角動量的能力的結構光獲得了實現。


結構光是指對雷射在任一自由度通過定製或者整形的辦法進行調製。最近發展的結構光支持的應用有（包括但不限於）光學通訊、提高圖像的成像解析度 、光捕獲和鑷合等。手徵光是結構光領域中最重要的一種，可以攜帶自旋角動量（±ℏ 每光子, 取決於用右手或左手的習慣）和軌跡角動量（OAM, ℓℏ 每光之子, 此處的 ℓ 為整數）。


△圖1 結構光的應用實例：量子協議中利用結構光來創造編碼字母表，具有更強大的安全性和具有更好的抗噪音性能。這一圖片表明創造的混合糾纏光子通過極化的扭曲的「圖案模式來實現攜帶軌道角動量 


圖2 紀念雷射誕生60周年


這一領域的一個公開的挑戰就是在源頭上任意控制光的手性——自旋和軌道。因此，該技術的推動發展受到基本的對稱性限制和光學元件空間解析度的限制。早期的研究基本上是通過總的角動量為零的狀態來實現，並且後者在產生高的OAM（軌跡角動量）值的時候限制了其純度和效率。具有高角動量的超手性光在許多基礎領域和應用研究中具有非常重要的地位。光的任意角動量在源頭上進行控制依然難以捉摸。


圖3 OAM（軌跡角動量） (m, n) = (1, 5) 在線性極化基的條件下運行時的典型的J板設計的示意圖


可以相信，該項研究是第一個展示雷射可以在內腔超表面製造出任一理想的角動量狀態。這一研究表明新的高純OAM（軌跡角動量）狀態具有的量子數可以達到100，並且具有非對稱矢量渦旋光束，同時雷射在獨立的OAM（軌跡角動量）狀態具有的量子數為不同的90的量值。雷射可以方便的在可見光波段進行輸出，提供一個緊湊的功率可擴展的光源，其利用內腔 結構介質來創造任意手性態的結構光。這一研究結果為超表面雷射的革新和應用開創了新紀元。


圖4 超表面雷射在OAM數為100時製造超手性扭曲光 的具有藝術家形式的印象


圖5 具有內腔非線性晶體（KTP）、兩極化和超表面的 雷射諧振腔的示意圖，通過紅外泵浦進行激發 


超表面雷射

雷射，見示意圖圖5，是一個倍頻腔，可以通過內腔非線性晶體（KTP）實現將Nd：YAG(λ = 1064 nm) 雷射的紅外基頻 轉換為二次諧波綠雷射 (λ = 532nm)，每次雷射通過J-板的時候，一個特殊的扭曲就會增加到光束波前。由於光和超表面器件的互惠，光就會在每個雷射內部的循環旅行中返回到它的起始狀態。並且其系統內部TAM的保護就會得到維持。從腔輸出的模式可以僅僅通過旋轉J板的角度θ來進行簡化。這同改變極化的狀態幾乎是等價的。這一改變可以被超表面非常清晰的「觀察」到。於是，一個理想的模式結合就誕生了，這一狀態在以前是不曾採用雷射來實現過。


圖6 超扭曲光的應用：(a)有選擇的光捕獲和鑷合；(b)納米製造用光學扳手 ；(c)光通信與量子協議


超表面雷射非常吸引人的地方在於多個方面的原因。例如，它可以用來進行不同的設計，這意味著它可以調製成更加適應其應用場景下的物理參數。由於超表面器件具有更高的破壞閾值，其增益內腔可以用來製造塊體的高功率雷射，甚至是壓縮成單片/微晶片設計。在這兩個場合，其共振模式可以通過泵浦極化來控制，這樣就可以不需要額外的內腔元件，僅僅適用該超表面即可實現。

展望與未來的發展機會

超表面雷射是結構光雷射發展歷史上的一個裡程碑，這是因為它打破了自旋軌道耦合對稱性，並且可以促進新的高純OAM狀態的雷射的誕生。雷射的設計，以及前面描述到的超表面，可以促使實現前所未有的對光的整個角動量的（手徵（空間的螺旋特性））從源頭上進行控制。

這一技術可以導致許多雷射結構的誕生，例如，這一類型的光可以用來製造光學傳動齒輪，這一應用場景是物理機械系統本身不會工作的場合，如微流體機械系統導致的驅動（見圖6 a）。在當前，人們對控制具有扭曲光的手性物質 非常感興趣，對於這一工作，扭曲光是非常需要的。非對稱的輸出模式可以用來光學捕獲，進行分離細胞或粒子，這是因為光束具有散射力 。這一類型的光還可以用來作為納米製造工程中的光學扳手（見圖6b）。此外，信息還可以儲存在光學通訊的狀態中和用來發揮量子協議的效用。


關於論文作者

Yao-Wei Huang是哈佛大學的博士後。Hend Sroor 是上海科技大學的博後後研究人員，在這之前是在威特沃特斯蘭德大學從事研究工作。

Darryl Naidoo是在 CSIR的國家雷射中心擔任首席研究員。

References

1. D. Naidoo et al. (2016). Controlled generation of higher-order Poincaré sphere beams from a laser. Nat Photon, Vol. 10, pp. 327-332.

2. E. Maguid et al. (2018). Topologically controlled intracavity laser modes based on Pancharatnam-Berry phase. ACS Photonics, Vol. 5, pp. 1817-1821.

3. H. Sroor et al. (2020). High-purity orbital angular momentum states from a visible metasurface laser. Nat Photon, www.doi.org/10.1038/s41566-020-0623-z.

4. R.C. Devlin et al. (2017). Arbitrary spin-to-orbital angular momentum conversion of light. Science, Vol. 358, pp. 896-901.

5. J.P.B. Mueller et al. (2017). Metasurface polarization optics: independent phase control of arbitrary orthogonal states of polarization. Phys Rev Lett, Vol. 118, p. 113901.

6. Sroor, H., Huang, Y., Sephton, B. et al. High-purity orbital angular momentum states from a visible metasurface laser. Nat. Photonics (2020). doi.org/10.1038/s41566-020-0623-z

7. AVS Quantum Science (https://doi.org/10.1116/1.5112027

8.Wits University和Andrew Forbes and Issac Nape



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