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纳米光学学

纳米光学学

Metasurface激光器产生超扭曲的光线

19 Jun 2020 IsabelleDumé.
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艺术家对Metasurface激光器的印象,生产超级手性扭曲光,奥姆蓬松达100.礼貌大学

新的元表面激光可以在任何期望的角动量状态下产生光,包括能够操纵物理物体的高度手性或“扭曲”光。根据南非和哈佛大学大学的开发商,在美国,这种可调,高角动量光源也可用于编码光通信中的信息。

角度的光动量是两个独立组分的总和:自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)。 SAM与圆偏振光相关联,并且当光的电磁场向量在波长的过程中旋转时出现。因为SAM可以只有两个值 - 右或左圆极化 - 其应用相对有限。另一方面,OAM由光波相的旋转产生,并且可以采用任何值。这种可变性使OAM用于更广泛的应用程序,包括使用光捕获和旋转微小粒子的“光学跨度”的设备,并通过无串扰(多路复用)的光纤传输数据,以命名为两个示例。

生产奥马姆国家的挑战

OAM的灵活性意味着光束可以原则上携带无限量的角动量。然而,在实践中,拨出所需的Oam状态远远容易,解释了研究联合领导者 安德鲁福布斯智能学院的物理学。虽然存在各种技术,但它们的效率 - 转化为所需状态的光的比例 - 是有限的。或者,称为Q-Plain的装置可以将SAM转化为oam,效率高达100%,但它仅适用于纯右或左圆偏振光。因为真实光束通常具有中间(椭圆形)偏振,所以这是一个显着的缺点,因为将固定量的OAM添加到一个自旋状态和相等且相反的量,而另一个产生零的净角动量。

新形式的手性灯和最高的

通过结合元表面来克服这些障碍物 - 一种人工化工程化的纳米结构,其以异常方式与光相互作用 - 进入激光腔。在哈佛集团的之前的工作中建立了这种元的面临的设计,包括Tio的矩形无定形柱2 只有600 nm。这些纳米玻璃通过比正在调制的光的波长短的距离分开,并且它们起到光线天线的起作用法 - 在通过它们的光线中引入空间变化的相位延迟并根据所需轮廓模制光束。 “在我们的实验中,我们多次通过元质面,每次这样做时都会在其阶段进行新的扭曲,同时控制光的极化,”福布斯解释说明。

结果是一种设备,其产生两个输出光束,其具有多达90个单元的OAM值,导致大量的非零总角度。根据FORBES,这是第一激光器,其可以在任何期望的角动量状态下产生这种高度手性光。 “我们的演示之一是在同一梁(分别具有水平和垂直偏振)的抛光烟射线,其中oam为10和100),”他告诉 物理世界。 “之前的记录只是+10和-10(因此零总数)。”

根据 Federico Capasso,该研究的其他联合领导者和应用物理学教授 哈佛 ,使用Metasurfaces是在实现记录高光学角动量的情况下“确定因子”, L,100。“Q-板和空间光调制器(SLM)等替代技术甚至没有接近这些值 L,“ 他说。 “更重要的是,这些技术的设计限制和制造限制不能给出由元件提供的任意波前控制,其中本文中描述的非对称矢量涡流波束是一个杰出的例子。”

大大减少了光损失

据哈佛大利 姚伟黄,谁构建了激光器中使用的元曲面,新设计“通过紧凑的平面中的光线旋转(线性,圆形或任何椭圆偏振状态)和轨道(对称或非对称螺旋)和轨道(对称或非对称螺旋)的高效耦合。结构体”。 FORBES补充说,该设备可以将非对称OAM耦合到线性偏振状态,而不是限于对称OAM和圆偏振状态,如Q-板。 “这可能看起来像一个次要的技术细节,但这意味着我们可以将激光器内的元素数量大大降低光损失并允许我们达到100的OAM值(X10在先前的状态上进入) - 从这样的激光器),“他解释道。

根据福尔斯,另一个有趣的特征是当它们从激光中出来时,携带10和100个角动量的梁的梁的横向尺寸显着不同。然而,当它们在腔周围行进时,它们会收敛到类似的形状和尺寸,在那里它们经历光学增益。这允许相干模式 - 即使实际光束看起来空间分离,也可以是激光的讲述标志。

“我们可以在物理机械系统无法工作的情况下使用这种类型的光来光学驱动齿轮,例如在微流体系统中驱动流动,”他解释说。 “这种系统可用于制造微型实验室设备,其中药物将在单个芯片上进行药物而不是实验室中的大型实验装置。”

将描述的激光器 自然光子学,也可以通过增加元表面的大小和增益体积来更大,以产生高功率散装设备。 “在这两种情况下,激光模式不需要除了Metasurface本身之外的任何腔内元素,”Forbes说。

版权©2021由IOP Publishing Ltd和个人贡献者