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研究人員已經(jīng)證明了世界上第一個產(chǎn)生“超手性光”的超表面激光器：超高角動量的光。來自該激光器的光可用作光通信中的信息的“光學(xué)扳手”或用于對其進(jìn)行編碼。

負(fù)責(zé)這項研究的南非約翰內(nèi)斯堡威特沃特斯蘭德大學(xué)（Wits）物理學(xué)院Andrew Forbes教授說：“因為光可以攜帶角動量，這意味著它可以轉(zhuǎn)移到物質(zhì)上。光攜帶的角動量越多，它可以轉(zhuǎn)移的越多。因此，您可以將光視為“光學(xué)扳手”，現(xiàn)在，您無需使用物理扳手來擰東西（例如擰緊螺母），而是照亮螺母，螺母會自動擰緊?！?/p>

新的激光器產(chǎn)生了一種新的高純度“扭曲光”，這是以前從未見過的，包括激光器報告的最高角動量。同時，研究人員開發(fā)了一種納米結(jié)構(gòu)的超表面，該超表面具有迄今產(chǎn)生的最大相位梯度，并允許在緊湊的設(shè)計中進(jìn)行大功率操作。這意味著世界上第一臺可根據(jù)需要產(chǎn)生扭曲結(jié)構(gòu)光的奇特狀態(tài)的激光器。

Nature Photonics今天在線發(fā)布了這項研究，該研究是Wits與南非科學(xué)與工業(yè)研究委員會（CSIR），哈佛大學(xué)（美國），新加坡國立大學(xué)（新加坡），布魯塞爾自由大學(xué)（比利時）和CNST-通過喬瓦尼·帕斯科利（意大利）前往意大利技術(shù)基金會（Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia）之間合作完成的。

在他們的論文中：研究人員展示了一種可見的超表面激光產(chǎn)生的高純度軌道角動量狀態(tài)，該研究人員演示了一種新型激光可以產(chǎn)生任何所需的手性態(tài)光，并且可以完全控制光的兩個角動量（AM）分量，即自旋（偏振和光的軌道角動量（OAM）。

由哈佛小組設(shè)計的新型納米尺寸（比人的頭發(fā)的寬度細(xì)1000倍）提供的完全控制功能使激光器的設(shè)計成為可能。超表面由許多納米材料的細(xì)小桿組成，這些桿會在光線穿過時改變光線。光線多次穿過超表面，每次都經(jīng)過新的扭曲。

“讓它與眾不同的是，這種材料具有自然界中找不到的特性，因此被稱為“超常材料”，一種可以相信的材料。由于結(jié)構(gòu)非常小，它們僅出現(xiàn)在表面上一個超表面?！?/p>

結(jié)果是產(chǎn)生了至今為止還沒有從激光器觀察到的新形式的手性光，并且從源頭上完全控制了光的手性，從而解決了開放的挑戰(zhàn)。

Forbes說：“目前有很強(qiáng)的動力試圖用扭曲光來控制手性物質(zhì)，而要使之起作用，則需要具有很高扭曲度的光：超級手性光?！?包括食品，計算機(jī)和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)在內(nèi)的各個行業(yè)和研究領(lǐng)域都需要超級手性光來改善其工藝。

Forbes說：“我們可以在物理機(jī)械系統(tǒng)不起作用的地方，例如在微流體系統(tǒng)中，使用這種類型的光來光學(xué)地驅(qū)動齒輪。使用該示例，目標(biāo)是在芯片上而不是在大型實驗室中進(jìn)行藥物治療，通常被稱為“芯片實驗室”。因為一切都很小，所以光用于控制移動周圍的物質(zhì)或進(jìn)行分類，諸如對好細(xì)胞和壞細(xì)胞進(jìn)行分類。扭曲的光被用來驅(qū)動微物質(zhì)，以使流動進(jìn)行?！?/p>

“周期性”是化學(xué)中經(jīng)常使用的術(shù)語，用來描述發(fā)現(xiàn)彼此互為鏡像的化合物。這些化合物具有“慣用性”，可以被認(rèn)為是慣用左手或慣用右手的。例如，檸檬和橙子香精是相同的化合物，但只是“手性”不同。

光也是手性的，但具有兩種形式：自旋（偏振）和OAM。自旋AM類似于繞自身軸旋轉(zhuǎn)的行星，而OAM類似于繞太陽公轉(zhuǎn)的行星。

Forbes說：“從源頭控制光的手性是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，并且是非常熱門的話題，因為從光手性物質(zhì)的控制到計量學(xué)到通信，有許多應(yīng)用都需要它。完全的手性控制意味著控制光，偏振和OAM的全部角動量?！?/p>

由于設(shè)計限制和實施障礙，迄今為止，僅產(chǎn)生了非常小的手性態(tài)子集。已經(jīng)設(shè)計出獨創(chuàng)的方案來控制OAM光束的螺旋度（自旋和線性運動的組合），但它們也仍然限于此對稱模式集。直到現(xiàn)在，還不可能寫下一些理想的手性并讓激光產(chǎn)生。

超表面激光

激光使用超表面注入具有超高角動量的光，使其在相位上具有空前的“扭曲”，同時還能控制偏振。通過任意的角動量控制，可以打破標(biāo)準(zhǔn)的自旋軌道對稱性，使第一臺激光器在光源處產(chǎn)生對光的完全角動量控制。

超表面由精心制作的納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成，以產(chǎn)生所需的效果，并且是迄今為止制造的最極端的OAM結(jié)構(gòu)，具有迄今報道的最高相梯度。超表面的納米分辨率使得低損耗和高損傷閾值的高質(zhì)量渦旋成為可能，從而使激光成為可能。

結(jié)果是一臺激光器可以同時激發(fā)10和100的OAM狀態(tài)，這是迄今為止激光器報告的最高AM。在特殊情況下，超表面被設(shè)置為產(chǎn)生對稱狀態(tài)，然后激光器會產(chǎn)生從定制結(jié)構(gòu)光激光器報告的所有先前的OAM狀態(tài)。

“最重要的一點是，我們的方法適用于許多激光器體系結(jié)構(gòu)。例如，我們可以增加增益體積和超表面尺寸來生產(chǎn)大功率的大體積激光器，或者可以使用以下方法將系統(tǒng)縮小到芯片上單片超表面設(shè)計，” Forbes說。

“在兩種情況下，激射模式都將由泵的偏振控制，除了超表面本身之外，不需要腔內(nèi)元素。我們的工作代表了將批量激光器研究與片上器件研究相結(jié)合的重要一步。”

論文標(biāo)題《High-purity orbital angular momentum states from a visible metasurface laser》。