導(dǎo)讀：研究人會(huì)研究出一個(gè)新的超表面激光可以發(fā)射出高純、非對(duì)稱的超手性光 ，同時(shí)具有前所未有的在源頭上進(jìn)行控制角動(dòng)量的能力。

一個(gè)新的超表面激光可以發(fā)射出高純、非對(duì)稱的超手性光 ，同時(shí)具有前所未有的在源頭上進(jìn)行控制角動(dòng)量的能力。

結(jié)構(gòu)光是指對(duì)激光在任一自由度通過定制或者整形的辦法進(jìn)行調(diào)制。最近發(fā)展的結(jié)構(gòu)光支持的應(yīng)用有（包括但不限于）光學(xué)通訊、提高圖像的成像分辨率 、光捕獲和鑷合等。 手征光 是結(jié)構(gòu)光領(lǐng)域中最重要的一種，可以攜帶自旋角動(dòng)量（± 每光子, 取決于用右手或左手的習(xí)慣）和軌跡角動(dòng)量（OAM, 每光之子, 此處的 為整數(shù)）。

圖2 紀(jì)念激光誕生60周年

這一領(lǐng)域的一個(gè)公開的挑戰(zhàn)就是在源頭上任意控制光的手性——自旋和軌道。因此，該技術(shù)的推動(dòng)發(fā)展受到基本的對(duì)稱性限制和光學(xué)元件空間分辨率的限制。早期的研究基本上是通過總的角動(dòng)量為零的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)，并且后者在產(chǎn)生高的OAM（軌跡角動(dòng)量）值的時(shí)候限制了其純度和效率。具有高角動(dòng)量得超手性光在許多基礎(chǔ)領(lǐng)域和應(yīng)用研究中具有非常重要得地位。光的任意角動(dòng)量在源頭上進(jìn)行控制依然難以捉摸。

圖3 OAM（軌跡角動(dòng)量） (m, n) = (1, 5) 在線性極化基的條件下運(yùn)行時(shí)的典型的J板設(shè)計(jì)的示意圖

可以相信，該項(xiàng)研究是第一個(gè)展示激光可以在內(nèi)腔超表面制造出任一理想的角動(dòng)量狀態(tài)。這一研究表明新的高純OAM（軌跡角動(dòng)量）狀態(tài)具有的量子數(shù)可以達(dá)到100，并且具有非對(duì)稱矢量渦旋光束，同時(shí)激光在獨(dú)立的OAM（軌跡角動(dòng)量）狀態(tài)具有的量子數(shù)為不同的90的量值。激光可以方便的在可見光波段進(jìn)行輸出，提供一個(gè)緊湊的功率可擴(kuò)展的光源，其利用內(nèi)腔 結(jié)構(gòu)介質(zhì)來創(chuàng)造任意手性態(tài)的結(jié)構(gòu)光。這一研究結(jié)果為超表面激光的革新和應(yīng)用開創(chuàng)了新紀(jì)元。

圖4 超表面激光在OAM數(shù)為100時(shí)制造超手性扭曲光 的具有藝術(shù)家形式的印象

圖5 具有內(nèi)腔非線性晶體（KTP）、兩極化和超表面的 激光諧振腔的示意圖，通過和國(guó)內(nèi)外泵浦進(jìn)行激發(fā)，

超表面激光

激光，見示意圖圖5，是一個(gè)倍頻腔，可以通過內(nèi)腔非線性晶體（KTP）實(shí)現(xiàn)將ND：YAG(λ = 1064 nm) 激光的紅外基頻 轉(zhuǎn)換為二次諧波綠激光 (λ = 532 nm)，每次激光通過J-板的時(shí)候，一個(gè)特殊的扭曲 就會(huì)增加到光光束波前。由于光和超表面器件的互惠，光就會(huì)在每個(gè)激光內(nèi)部的循環(huán)旅行中返回到它的起始狀態(tài)。并且其系統(tǒng)內(nèi)部TAM的保護(hù)就會(huì)得到維持。從腔輸出的模式可以僅僅通過旋轉(zhuǎn)J板的角度θ來進(jìn)行簡(jiǎn)化。這同改變極化的狀態(tài)幾乎時(shí)等價(jià)的。這一改變可以被超表面非常清晰的“觀察”到。姐u共，一個(gè)理想的模式結(jié)合就誕生了，專業(yè)i狀態(tài)在以前時(shí)不曾采用激光倆實(shí)現(xiàn)過。

圖6 超扭曲光的應(yīng)用： (a)有選擇的光捕獲和鑷合；(b)納米制造用光學(xué)扳手 ；(c)光通信與量子協(xié)議

超表面激光非常吸引人的地方在于多個(gè)方面的原因。例如，它可以用來進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，這意味著它可以調(diào)制成更加適應(yīng)其應(yīng)用場(chǎng)景下的物理參數(shù)。由于超表面器件具有更高的破壞閾值，其增益內(nèi)腔 可以用來制造塊體的高功率激光，甚至是壓縮成單片/微芯片設(shè)計(jì)。在這兩個(gè)場(chǎng)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(nèi)腔元件 ，僅僅適用該超表面即可實(shí)現(xiàn)。

展望于未來的發(fā)展機(jī)會(huì)

超表面激光是結(jié)構(gòu)光激光發(fā)展歷史上的一個(gè)里程碑，這是因?yàn)樗蚱屏俗孕壍礼詈蠈?duì)稱性，并且可以促進(jìn)新的高純OAM狀態(tài)的激光的誕生。激光的設(shè)計(jì)，以及前面描述到的超表面，可以促使實(shí)現(xiàn)前所未有的對(duì)光的整個(gè)角動(dòng)量的（手征（空間的螺旋特性））從源頭上進(jìn)行控制。

這一技術(shù)可以導(dǎo)致許多激光結(jié)構(gòu) 的誕生，例如，這一類型的光可以用來制造光學(xué)傳動(dòng)齒輪 ，這一應(yīng)用場(chǎng)景是物理機(jī)械系統(tǒng)本身不會(huì)工作的場(chǎng)合，如微流體機(jī)械系統(tǒng)導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)（見圖6 a）。在當(dāng)前，人們對(duì)控制具有扭曲光 的手性物質(zhì) 非常感興趣，對(duì)于這一工作，扭曲光是非常需要的。非對(duì)稱的輸出模式可以用來光學(xué)捕獲，進(jìn)行分離細(xì)胞或粒子，這是因?yàn)楣馐哂猩⑸淞?。這一類型的光還可以用來作為納米制造工程中的光學(xué)扳手（見圖6b）。此外，信息還可以儲(chǔ)存在光學(xué)通訊的狀態(tài)中和用來發(fā)揮量子協(xié)議的效用。

關(guān)于論文作者

Yao-Wei Huang是哈佛大學(xué)的博士后。 Hend Sroor 是上?？萍即髮W(xué)的博后后研究人員，在這之前是在威特沃特斯蘭德大學(xué)從事研究工作。

Darryl Naidoo是在 CSIR的國(guó)家激光中心擔(dān)任首席研究員。

References

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