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封面圖來源：School of Physics, University of the Witwatersrand

01
導(dǎo)讀
利用激光器產(chǎn)生高純度的“扭曲光”以及產(chǎn)生相當(dāng)高的角動量（AM），這在之前所有報道過激光器的文獻(xiàn)中還未曾有過。
近日,來自南非金山大學(xué)（University of the Witwatersrand）的 Andrew Forbes 等研究人員在 Nature Photonics 發(fā)表了這一突破性的研究成果。
在這篇論文中，研究人員展示了一種新的激光器，它可以產(chǎn)生任意理想的手性光狀態(tài)，并可以用來完全控制光的角動量(AM)、光的自旋角動量(SAM)和軌道角動量(OAM)。
02
背景介紹

圖1. 多彩斑斕的結(jié)構(gòu)光場
對光進(jìn)行結(jié)構(gòu)定制，使其能夠高效的產(chǎn)生特定的光場分布以及其它有特殊用途的屬性，已被科研工作者們廣泛研究。如圖1所示，展示了多彩斑斕的結(jié)構(gòu)光場圖樣。而對于結(jié)構(gòu)光的應(yīng)用，也已經(jīng)在高寬帶光通信、高維量子通信、顯微成像和光操作等各個領(lǐng)域中得到了實際的推廣。
在多彩斑斕的結(jié)構(gòu)光中，其中有一種非常重要的屬性就是光的手性。光具有手性特征，并且具有兩種形式：自旋角動量（SAM）和軌道角動量（OAM）。
自旋SAM類似于行星圍繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，例如：地球的自轉(zhuǎn)；而軌道OAM類似于行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，例如：地球的公轉(zhuǎn)。手性光攜帶有自旋角動量（SAM）和軌道角動量（OAM），而軌道角動量的存在是由于具有螺旋形相位波前而特有的屬性。因此，這樣的光我們也稱之為軌道角動量光。而且通?？梢酝ㄟ^動態(tài)幾何相位轉(zhuǎn)化的方式，將自旋和軌道角動量進(jìn)行有效耦合，產(chǎn)生具有更多手性控制的矢量軌道角動量光。但是，怎樣能夠有效的控制光的手性仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
目前，雖然有一些方法可以實現(xiàn)光手性的控制。例如：通過幾何相位產(chǎn)生對稱的OAM光、利用集成芯片裝置、利用有源激發(fā)還有特種光纖激光器產(chǎn)生等。但是，這些前沿的方式都有一定的缺陷，其缺陷主要集中在兩個方面，分別是：利用幾何相位和拓?fù)涔庾訒r有基本對稱性的限制；其次是器件可實施的限制，例如，光學(xué)元件的物理尺寸和空間分辨率的限制。
雖然，這些光手性控制的方式都是極其重要的。可是，怎樣打破自旋和軌道耦合的基本對稱性，來進(jìn)行任意的手性光的產(chǎn)生，是一個需要突破解決的問題。
其次，在量子力學(xué)研究中的玻色-愛因斯坦凝聚、結(jié)構(gòu)光遙感測繪、進(jìn)行精確的旋轉(zhuǎn)測量，以及進(jìn)行手性介質(zhì)的計量和提升更大的光子信息容量等方面的研究中，具有高角動量的超手性光在許多基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究中都具有重要意義。
然而，任意角動量光的控制，需要有能力來產(chǎn)生一個任意耦合的自旋和軌道角動量光。這種狀態(tài)的光，可以通過用戶已經(jīng)定義好的偏振態(tài)來耦合任意、不同的和非對稱的OAM來實現(xiàn)。
那么就可以有一個比對稱OAM態(tài)特殊的、大無窮倍的集合產(chǎn)生，從而允許獲得具有高角動量的超手性光?？墒?，現(xiàn)實的情況下卻并非實際想的這樣，如圖2所示，目前，有報道中產(chǎn)生的OAM激光只能有對稱的正負(fù)自旋量子數(shù)和正負(fù)軌道量子數(shù)的疊加，這樣產(chǎn)生的總的角動量數(shù)為零，并且最大的軌道量子數(shù)也只到了±10。

圖2. 軌道量子數(shù)為±10的OAM激光器
在本篇文章中，作者報到了一種超表面增強激光的方法，來克服自旋與軌道耦合這一限制。作者提到的這種方法是對早先提出的對稱自旋和軌道耦合設(shè)備的一個巨大反差（指作者在2016年發(fā)表的文章，如圖2所示），設(shè)備可輸出的高純度OAM光的量子數(shù)即拓?fù)浜蓴?shù)可以達(dá)到100，并且可以同時產(chǎn)生不受約束的OAM變量為90的非對稱的矢量渦旋。
這種超表面激光器可以方便地輸出可見光，產(chǎn)生新的光OAM態(tài)，以及產(chǎn)生以前報道過的所有激光的OAM模式。
這可能為我們的生活提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、功率可調(diào)的光源，最為關(guān)鍵的是利用腔內(nèi)結(jié)構(gòu)物質(zhì)（超表面）可以產(chǎn)生任意手性結(jié)構(gòu)光，這也是對超表面進(jìn)行實用化的一大突破性進(jìn)展。
03
創(chuàng)新研究
3.1
超表面J-板

圖3. 超表面J-板示意圖和相位調(diào)制曲線
在這項工作中，作者們主要是設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)緊湊的超表面手性光激光器。在這個自旋軌道耦合設(shè)備中，最關(guān)鍵的一個器件就是由電介質(zhì)二氧化鈦納米磚構(gòu)成的超表面，如圖3a所示。超表面上每一個納米磚的高度為600納米，其長度和寬帶能夠改變，從而它們可以在可見光532納米波段進(jìn)行相位調(diào)制，調(diào)制曲線如圖3b所示。

表1. 制作的三塊超表面J-板
在本文中，作者們制作了三塊超表面J-板，如表1所示。JP1用來實現(xiàn)原先作者們提出的方案（2016年發(fā)表的文章），即實現(xiàn)線性對稱的自旋和軌道耦合轉(zhuǎn)換，但是轉(zhuǎn)換的軌道量子數(shù)只能是正負(fù)軌道量子數(shù)的疊加，并且總角動量為零。而JP2和JP3超表面J-板是本文中的重點，它們可以實現(xiàn)任意的兩個正交偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換，并且可以生成任意的OAM模式。

圖4. 超表面J-板JP3的相位分布和JP2、JP3的SEM圖以及局部放大
如圖4所示，c為JP3的相位分布圖像，JP3最大的特點是其軌道角動量數(shù)達(dá)到了100，制作這么高的相位梯度超表面也是第一報道。由于超多的納米結(jié)構(gòu)在相位分布上，所以JP3看起來是彩色的，由于散射共振的作用。e和f是超表面JP2和JP3的掃描電鏡SEM圖，這些納米結(jié)構(gòu)具有不同的形狀和方向，從而能夠?qū)崿F(xiàn)所需的相位梯度變化，g圖顯示了超表面上納米結(jié)構(gòu)的典型特殊構(gòu)造。
3.2
腔內(nèi)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)

圖5. 超表面軌道角動量光激光器示意圖
如圖5.所示，是產(chǎn)生高純度渦旋光激光器的示意圖。一個常見的Nd：YAG半導(dǎo)體固體激光器腔，利用非線性KTP晶體實現(xiàn)倍頻轉(zhuǎn)換，輸出532納米的綠光。超表面J-板被放置在綠色諧振腔內(nèi)，用來提供一個幾何相位，就這樣一個產(chǎn)生可見光的超表面輔助激光器完成了。其最主要的是利用了超表面J-板，能夠?qū)崿F(xiàn)將SAM和OAM的耦合。

圖6. 超表面激光器腔內(nèi)光的變化動態(tài)圖
在激光腔內(nèi)，光多次穿過超表面，如圖6.動態(tài)所示。開始是一個水平偏振無OAM的光，然后被超表面轉(zhuǎn)化為一個與J-板快軸角有關(guān)的正弦和余弦疊加的組合模式。在這個過程中大多數(shù)一般的OAM狀態(tài)都能夠保留下來，這種狀態(tài)在以前的任何腔內(nèi)激光器中都未曾報道過。
與以前的設(shè)計相比，目前的設(shè)計減少了光學(xué)器件的數(shù)量和腔的復(fù)雜性。并且在作者的設(shè)計中，模式可在晶體內(nèi)重疊，確保了空間相干的一致性，即使在輸出端沒有任何空間重疊。所以，在這種正弦和余弦疊加的復(fù)合模式下，在每次往返的過程中對激光的角動量實現(xiàn)控制是有可能的。
3.3
實現(xiàn)任意角動量的控制

圖7 先前結(jié)果的再現(xiàn)—實現(xiàn)對稱的OAM態(tài)
圖7展示的是超表面JP1所實現(xiàn)的功能，它生成的是一種對稱模式。通過先前報道的幾何相位，來產(chǎn)生線偏振高階彭加萊態(tài)（HOPS）共軛的OAM態(tài)。其輸出的模式強度是一個環(huán)形的分布，在超表面的旋轉(zhuǎn)變化中這種狀態(tài)依然可以保留，通過模態(tài)分析也可以證明OAM態(tài)的存在，在補充材料中作者們做了詳細(xì)介紹。

圖8. 隨著與J-板水平方向夾角的變換OAM譜的變化和混合矢量模式
為了展示可實現(xiàn)任意的角動量（AM）的控制，作者們利用JP2來實現(xiàn)了對稱OAM態(tài)1和5的輸出。如圖8c所示，輸出模式在1和5之間按照正弦和余弦的變化對稱輸出。在兩端都可以達(dá)到100%的模態(tài)輸出，在中間段會出現(xiàn)疊加態(tài)，包括出現(xiàn)相等的OAM分?jǐn)?shù)態(tài)。
其次是出現(xiàn)了一個更奇異的矢量混合態(tài)，如圖8d所示。它的出現(xiàn)不像人們原先想的，會產(chǎn)生一個疊加態(tài)到6的奇異混合態(tài)，而是一個為1的渦旋中心周圍有四個奇異點。這個現(xiàn)象和作者們做的理論預(yù)測是相符的，如圖8d的插圖所示。這也說明了，這里的J-板超表面激光器不但能夠產(chǎn)生原先已有的模式，而且還能產(chǎn)生更加奇異的光態(tài)。

圖9. JP3產(chǎn)生廣義的OAM態(tài)
如圖9.所示，分析產(chǎn)生了更為一般的角動量的控制。在利用超表面JP3形成的自旋軌道耦合的激光器中，輸出態(tài)是從10到了100，輸出的拓?fù)浜蓴?shù)的變化量達(dá)到了90。與前面對稱模式的區(qū)別在于，這里產(chǎn)生的模態(tài)是一個嵌套疊加的模式。伴隨著旋轉(zhuǎn)角度的變化，在廣義的彭加萊球面上，可以明顯的看到這種變化。
這種狀態(tài)可以理解為當(dāng)l1遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于l2時，每一種狀態(tài)都可以共存，但是在超表面之后每一個空間模式都會在不同的區(qū)域出現(xiàn)，而在晶體中重疊是為了更好的產(chǎn)生相干性。
3.4
模式純度分析

圖10. 拓?fù)浜蓴?shù)為10的OAM激光腔內(nèi)、外模式純度
在圖10.中，作者分析了拓?fù)浜蓴?shù)為10的OAM激光的模式純度，藍(lán)色是腔內(nèi)模式，紅色對應(yīng)腔外模式。我們可以看到，在激光腔內(nèi)OAM的模式純度能夠達(dá)到92%，使用腔外超表面轉(zhuǎn)化的模式純度是72%。
顯而易見的是，在腔內(nèi)的轉(zhuǎn)化中主要集中在對應(yīng)徑向階數(shù)P等于零的理想態(tài)，而在腔外轉(zhuǎn)換中很多會向高階徑向態(tài)轉(zhuǎn)化過去。圖10中下方的數(shù)據(jù)曲線，很好的說明了腔內(nèi)產(chǎn)生純的超高OAM態(tài)的情況，這種情況可以用徑向模式p在腔內(nèi)會出現(xiàn)一種阻尼振蕩來解釋。圖10中的b和c分別顯示的是，腔內(nèi)和腔外產(chǎn)生拓?fù)浜蓴?shù)為10的模態(tài)的直接圖樣。

圖11. 拓?fù)浜蓴?shù)為100的OAM激光腔外、內(nèi)模式純度
在圖11.中，展示的是超高OAM數(shù)的模式純度。圖11.d表示外部模式，圖11.e表示內(nèi)部模式。從直觀的看，我們也可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部模式明顯優(yōu)于外部模式。在數(shù)據(jù)測量上，對于純度為71%的OAM模式，腔外轉(zhuǎn)化中只有13%的徑向為零，角向為100的純度。而對于腔內(nèi)轉(zhuǎn)化來說，純度高達(dá)90%。圖11.f中的數(shù)據(jù)條顯示，紅色棒狀是腔外模式譜，藍(lán)色柱狀是腔內(nèi)模式譜，與上面的數(shù)據(jù)說明是一致的。圖11.g表示的在相同的束腰條件下，紅色棒狀顯示的腔外模式轉(zhuǎn)化的純度，藍(lán)色顯示本文中提到的諧振腔轉(zhuǎn)化的純度。
總的來說，作者們在此提出的OAM激光器可以產(chǎn)生更高、更純的軌道角動量光。并且，作者也提到在通過合理的設(shè)計諧振腔的參數(shù)以及通過濾波等的方法，OAM激光的模式還可以進(jìn)一步提高。
04
結(jié)論與展望
作者在本文中展示了一種可產(chǎn)生超高超純OAM光的超表面激光器，為超表面的實用化又邁出了積極的一步。
其次，作者在本文中提出的方法具有廣泛性。不論是大功率的體激光器還是芯片集成的微納激光器，都可以通過控制腔內(nèi)偏振旋轉(zhuǎn)、超表面的結(jié)構(gòu)和增益介質(zhì)來實現(xiàn)。他們的工作為大型OAM激光器和微芯片OAM激光器的研究開發(fā)，提供了很好的思路。
總而言之，作者們在本文中第一次描述了一種可產(chǎn)生超高超純OAM態(tài)的超表面激光器。不論是之前報道過的OAM態(tài)，還是之前沒有報道過的激光手性模式，在超表面激光器中都可以實現(xiàn)。這種新型可控角動量的激光器，在性能、功率等方面，都為優(yōu)質(zhì)軌道角動量光源的產(chǎn)生提供了可行的路線。
文章信息：
該成果以“ High-purity orbital angular momentum states from a visible metasurface laser ”為題發(fā)表在 Nature Photonics 期刊。
論文地址：
https://doi.org/10.1038/s41566-020-0623-z